En 1843, la ville décide la restauration de l’aile François Ier et sollicite l’aide de l’Etat. Félix Duban est alors nommé par la commission des Monuments Historiques pour assurer la restauration du château. Il trouve un monument dans un piètre état, les bâtiments de François 1er et de Louis XII sont divisés et l’aile Gaston d’Orléans reste toujours inachevée. Les exactions révolutionnaires ont endommagé la sculpture et notamment les emblèmes royaux. De même, l’installation de la garnison en 1788 a aussi fait des dégâts. Duban établit un projet général de restauration en s’appuyant sur les vestiges existants et sur les documents figurés, gravures de Du Cerceau et dessins de Félibien. Il est très sensible à l’architecture de la Renaissance, il rend à la cour sa cohésion en inventant la façade ainsi que la flèche de la chapelle et travaille dans la continuité des architectes classiques.

Les travaux débutent en 1845 par la restauration de l’aile François Ier. La révolution de 1848 interrompt les travaux qui reprennent de 1852 à 1865 avec l’aile Louis XII et la salle des Etats et se terminent en 1870 par l’aile de la chapelle. Duban meurt pendant l’achèvement des décors intérieurs de l’édifice. Jules de la Morandière, son adjoint pendant de nombreuses années, son élève et ami, veille pendant dix ans à parachever la restauration de son maître.

Duban s’intéresse surtout à l’aspect général et au décor. Il conserve tout ce qu’il peut de l’ancien, mais recrée entièrement les décors intérieurs. Il cherche à utiliser la même pierre que celle d’origine. A sa mort, le château a retrouvé une silhouette proche de celle du XVIe siècle.

La seconde restauration se déroule entre 1880 et 1913. Le château est alors confié à un architecte et inspecteur général des Monuments Historiques de sensibilité très différente de Duban, Anatole de Baudot. Celui-ci s’attache surtout aux aspects techniques : reprise des charpentes et des couvertures, fermeture du pignon de l’aile François 1er, installation de l’évacuation des eaux de pluie, renforcement des planchers de l’aile François 1er avec les techniques nouvelles du béton armé ou des poutres métalliques Cependant, il redessine une grande partie des couronnements du château qu’il remplace par un décor très dentelé sans référence historique.

C’est le successeur de Baudot, Alphonse Goubert qui se charge de la restauration de l’aile Gaston d’Orléans. Goubert crée le grand escalier de pierre esquissé par Mansart. En 1921, il installe un musée lapidaire est créé au rez-de-chaussée de l’aile François 1er. Les bombardements de la seconde guerre mondiale atteignent la façade sud du château, notamment l’aile Louis XII et la chapelle dont les vitraux sont détruits. Michel Ranjard est chargé des travaux de remise en état à partir de 1946.

Une nouvelle restauration est entreprise depuis 1990 sous la conduite de Pierre Lebouteux et de Patrick Ponsot. Elle a porté sur la restauration des toitures, des façades extérieures, des planchers de l’aile François Ier. De 2003 à 2007, près de 8000 m2 de décors peints au XIXe siècle ont été restaurés dans l’aile François Ier et la salle des Etats.