Héritier du trône en rebellion plus ou moins ouverte contre son frère, le Roi Louis XIII, et le cardinal de Richelieu, Gaston d’Orléans reçoit Blois en apanage en 1626 et y réside à partir de 1634. Pour le distraire, "on lui avait mis en tête d’abattre le château et d’en faire un tout neuf", écrit dans ses Mémoires son secrétaire Nicolas Goulas.

Gaston choisit l’architecte parisien François Mansart (1598-1666), inventeur des châteaux de Berny et Balleroy, qui vient tout juste de terminer l’église de la Visitation à Paris. Le corps de logis neuf, construit en fond de cour à la place des bâtiments qui avaient abrité les souverains récemment venus à Blois, est entrepris en 1635 et laissé inachevé en 1638. Il a été envisagé, sans doute dés le début des travaux, de l’intégrer dans un vaste projet qui devait conduire à la destruction des ailes édifiées par Louis XII et François Ier. Il semble que Gaston, éloigné du trône par la naissance du Dauphin Louis, préfère dès lors concentrer ses moyens financiers sur Chambord.

Lors de son retour définitif à Blois vers 1652 -1653, après l’échec de la Fronde, Gaston installe ses appartements dans l’aile François Ier plutôt que de relancer le chantier du logis neuf qui reste une coquille vide jusqu’à la transformation du château en caserne au début du XIXe siècle. Il y meurt le 2 février 1660.

L’aile Gaston d’Orléans est un manifeste du classicisme français en architecture : pavillon central et ailes en retour, traitement plastique des murs subtil et sobre, élévation à trois niveaux d’ordres, superposition de deux frontons - triangulaire et en plein cintre - accentuant l’effet de verticalité. Le contrepoint stylistique qu’elle offre au regard du visiteur à côté des ailes François Ier et Louis XII a suscité les réactions les plus diverses : si Félibien vers 1680 regrette l’inachèvement du projet de Mansart, Flaubert y voit en 1847 "un corps de logis au goût sobre qui est le goût pauvre".

Le morceau de bravoure est à découvrir à l’intérieur : une voûte en arc-de-cloître ornée de compartiments sculptés de trophées à l’antique, de masques maniéristes et de guirlandes de feuillage, elle-même surmontée d’une coupole sur trompes abondamment éclairée par les fenêtres percées à l’étage supérieur. Ce somptueux décor est attribué à l’atelier des sculpteurs Simon Guillain et Michel Anguier.