En avril 1498, le duc Louis II d’Orléans (1462-1515) devient roi de France sous le nom de Louis XII. Il entreprend aussitôt la reconstruction du château de Blois où il est né 36 ans plus tôt. Paré d’une nouvelle aile construite en brique et pierre qui porte désormais son nom, le château est selon le chroniqueur Jean d’Auton, « tout de neuf et tant somptueux que bien sembloit œuvre de roy ».
Durant son règne, Louis XII séjourne le plus souvent les mois d’hiver au château de Blois. Ayant obtenu du pape Alexandre VI Borgia l’annulation de son mariage avec Jeanne de France, Louis XII peut épouser à Blois en mars 1499 la duchesse Anne de Bretagne, veuve de son prédécesseur, afin de maintenir la Bretagne dans l’orbite française. Se succède à Blois fêtes et rencontres diplomatiques : mariage de César Borgia (1499), réception de l’archiduc Philippe d’Autriche (1501), noces du marquis de Montferrat et d’Anne d’Alençon (1508), fiançailles de Marguerite d’Angoulême, sœur du futur François Ier, avec le duc d’Alençon (1509), séjours de Machiavel (1501 et 1510), etc. Anne de Bretagne meurt à Blois le 9 janvier 1514. Ses funérailles sont célébrées à la collégiale Saint-Sauveur du château. Peu après, Louis XII donne le comté de Blois à leur fille Claude et lui fait épouser François d’Angoulême, dauphin et héritier du royaume.
Le 1er janvier 1515, Louis XII meurt et François Ier (1494-1547) lui succède. Issu des comtes d’Angoulême, arrière-petit-fils de Louis d’Orléans, François fait de Blois le premier chantier de son règne. Il reconstruit de 1515 à 1519 un nouveau logis d’inspiration Renaissance flanqué du célèbre escalier en vis. Son épouse Claude séjourne le plus souvent à Blois où elle meurt en juillet 1524, à peine âgée de 25 ans, après avoir donné au roi sept enfants en huit ans.
Fait prisonnier par l’empereur Charles-Quint à la bataille de Pavie, François Ier passe un an en exil en Espagne. A son retour, il lance le chantier de Fontainebleau et préfère désormais séjourner en Île-de-France. Il n’abandonne pourtant pas Blois : des réparations entreprises en 1534-1535 sur les charpentes de la salle des Etats et de l’aile François Ier attestent l’intérêt du roi pour le château. Le 18 octobre 1534, l’affaire dite « des Placards », tracts protestants contre la messe affichés jusque sur la porte de la chambre du roi dans ses châteaux de Blois et d’Amboise, incitent le roi à réprimer les partisans de la Réforme religieuse.
Si François Ier transfère à Fontainebleau le mobilier puis la bibliothèque de Blois (1539 et 1544), le château vit néanmoins toujours au rythme des fêtes de cour : c’est là qu’en avril 1545, le poète Pierre de Ronsard rencontre lors d’un bal la belle Cassandre Salviati qui lui inspire le fameux « Sonnet à Cassandre ».
A la mort de François Ier, lui succède son fils Henri II. Après avoir été sacré à Reims en juillet 1547, Henri II fait le mois suivant son entrée solennelle à Blois, accompagné de « femmes nues montées sur des bœufs » (mise en scène de l’enlèvement d’Europe ?) qui choquent plusieurs observateurs. Un grand tournoi est organisé au château. En 1550, Henri II fait réaliser des travaux intérieurs dans le « logis neuf » (aile François Ier). A l’occasion d’un double mariage célébré à Blois en avril 1556, la reine Catherine de Médicis fait représenter devant le roi la tragédie Sophonisbe, première pièce de théâtre conforme aux règles classiques des trois unités.
La mort du roi Henri II lors d’un tournoi à Paris, le 10 juillet 1559, marque la fin du « Beau 16e siècle » et prélude à l’entrée du royaume de France dans le tourbillon des guerres de Religion.
