Ówczesną gotycką zabudowę opisuje inwentarz z 1510 roku wymieniający na terenie zamku: bramę ze zbrojownią, dom naprzeciw Wisły (czyli budynek południowy), dom kamienny (domus lapidea) z kaplicą i izbą podstarościego (być może palatium romańskie Henryka Sandomierskiego).
Zamek renesansowy mały|upright|Renesansowy orzeł z monogramem króla Zygmunta Około 1513 roku król Zygmunt I Stary polecił staroście Stanisławowi Szafrańcowi przygotować się do podjęcia nowych prac budowlanych na zamku. Zburzono wtedy ośmioboczną wieżę Kazimierza Wielkiego (obecnie widoczne jest jej przyziemie). W latach 1520–1527 zamek rozbudowano pod kierunkiem Benedykta z SandomierzaTomasz Ratajczak, „Mistrz Benedykt, królewski architekt Zygmunta I Starego”, Universitas, Kraków 2011, s. 256–267.Adam Miłobędzki, „Zamek sandomierski”, s. 245–286.. Oprócz niego zatrudnieni byli murator Krzysztof i cieśla Hanusz pracujący pod kierunkiem prepozyta koprzywnickiego Jana z Wiślicy. Istniejące już gotyckie skrzydło południowe przebudowano i dostawiono do niego skrzydło wschodnie o dwóch kondygnacjach z piwnicami i rozpoczęto prace przy skrzydle zachodnim. Z okresu tej rozbudowy przetrwała do dzisiaj dolna część budynku zachodniego.