Do prac dekoratorskich zaproszono wówczas takich artystów jak: Francesco Primaticcio, Rosso Fiorentino, Niccolò dell’Abbate czy Benvenuto Cellini. Kolejni władcy (od Henryka II Walezjusza do Napoleona Bonaparte) rozbudowywali i dekorowali rezydencję. Swój ślad odcisnęły tu takie dynastie jak Walezjuszowie, Kapetyngowie, Burbonowie, d’Orlean, Bonaparte. Napoleon zwykł mawiać o zamku: „prawdziwy dom francuskich monarchów”. W zamku Fontainbleau jest ponad 1500 pokoi oraz 3 kaplice, znajdują się tu także pokoje papieskie przygotowane dla Piusa VII w roku 1804 z okazji koronacji Napoleona na cesarza.
W 1560 w Fontainebleau odbyło się zgromadzenie notablów. Większość z zebranych domagała się reform w kościele francuskim oraz tolerancji religijnej dla hugenotów. 6 kwietnia 1814 roku Cesarz Francji Napoleon I podpisał tu swoją abdykację. Na głównym dziedzińcu, na który prowadzą imponujące schody, pożegnał się ze swoimi wiernymi gwardzistami.
Obecnie pałac stanowi muzeum. Pałac i otaczający go park (w tym ogród angielski z XIX wieku) zostały wpisane na listę światowego dziedzictwa UNESCO.