Les fouilles archéologiques et les textes attestent qu’un premier palais comtal, à la fois résidence seigneuriale, siège du pouvoir et forteresse, occupe dès le milieu du IXe siècle l’emplacement actuel du château de Blois, sur un promontoire dominant la ville et la Loire. Le site est consacré peu après par la fondation de la chapelle Saint-Calais, établie par les moines venus de ce bourg monastique (Sarthe) en apportant les reliques de leur saint fondateur.

A partir de l’an Mil, les comtes de la maison de Champagne érigent une grosse tour en pierre et de nouveaux bâtiments. Vers 1080, une charte montre le comte Thibault III rendant la justice « dans la forteresse de Blois, dans la cour, derrière le palais, près de la tour, au parterre situé entre les chambres à feu du palais ». Le poète Baudri de Bourgueil décrit dans la chambre de la comtesse Adèle d’Angleterre, fille de Guillaume le Conquérant, une tenture semblable à la Tapisserie de Bayeux.

De nouveaux travaux d’agrandissement et d’embellissement sont réalisés au XIIIe siècle. En 1388, le château de Blois apparaît ainsi comme « beau et grand, fort et plantureux, un des [plus] beaux du royaume de France » aux yeux du chroniqueur Jean Froissart. A la fin de la guerre de Cent Ans, ses fortifications sont renforcées et mises en état de défense par les ducs d’Orléans, Louis Ier en 1404-1405, sa veuve Valentine Visconti 1408, puis leur fils Charles d’Orléans en 1433-1434.

De ces constructions médiévales, le château de Blois conserve plusieurs vestiges du début du XIIIe siècle, plus ou moins visibles. Ainsi, l’aile François Ier est édifiée à l’emplacement d’un logis médiéval dont elle conserve plusieurs murs, notamment l’épais mur d’enceinte auquel est adossée la façade des Loges. Deux tours sont encore visibles de l’extérieur : à l’est la « tour des Champs », la plus petite, flanque le pignon près de la salle des Etats ; à l’ouest, la tour Château-Renault est englobée dans le nouvel édifice qu’elle domine de son chemin de ronde et sa haute toiture. Au rez-de-chaussée de l’aile François Ier subsiste également une salle ronde qui témoigne d’une troisième tour, arasée.

Une construction médiévale plus accessible est la tour du Foix, qui dresse sa silhouette sur la terrasse sud-ouest et domine la Loire et le quartier qui lui a donné son nom. Ancienne tour d’angle de la forteresse médiévale, elle s’élève sur quatre niveaux, dont trois voûtés, chichement éclairés par des meurtrières en étrier. Le niveau inférieur , aujourd’hui en sous-sol, en formait autrefois le rez-de-chaussée avant le remblaiement de la terrasse au XVIIe siècle. A la même époque, la tour a été flanquée d’une tourelle d’escalier garnie de bardeaux de bois et la plate-forme sommée d’un édicule servant d’observatoire astronomique.

Le plus important legs du Moyen Age à Blois est la salle des Etats. Celle-ci tire son nom des Etats généraux qui s’y réunirent deux fois à le demande de Henri III en 1576 et 1588, mais il s’agit en fait de la « grande salle » du palais des comtes de Blois. Une analyse dendrochronologique récente de la charpente (datation par l’étude des cernes de croissance des bois) vient de la dater précisément de 1214. Elle a donc été bâtie par Thibaut VI, dernier comte de Blois issu de la maison de Champagne, qui a aussi largement contribué à la construction de la cathédrale de Chartres.

Mesurant près de trente mètres sur dix-huit, la salle des Etats est l’une des plus grandes et des plus anciennes salles seigneuriales gothiques conservées en France. A Paris, la grande salle du palais de la Cité bâtie par Philippe le Bel a été édifiée un siècle plus tard et seule la Salle des pas perdus du palais ducal de Poitiers l’emporte en dimensions sur celle de Blois. Les deux amples vaisseaux couverts de berceaux lambrissés sont séparés par six arcades en arc brisé reçues par cinq colonnes couronnées de chapiteaux à crochets. Seule la petite fenêtre en ogive du pignon ouest est d’origine ; de grandes fenêtres à meneaux ont été percées au XVe siècle. Un bâtiment inachevé ajouté à l’est, vers la place, à la fin du XVIe siècle a été abattu en 1860 pour laisser place à l’actuel pignon néogothique.

La salle des Etats a en effet été restaurée par Félix Duban de 1861 à 1866 : c’est à lui que l’on doit les peintures des murs et les 6720 fleurs de lis peintes au lambris, la cheminée, l’escalier néogothique, les vitraux aux emblèmes de Louis XII et d’Anne de Bretagne, dus au peintre-verrier Paul-Charles Nicod, ainsi que le pavement en terre cuite polychrome du céramiste Jules Loebnitz. Les décors peints ont été restaurés en 2006-2007.