Tòa lâu đài đầu tiên xây dựng ở Fontainebleau là vào năm 1137, sau được nới rộng thêm dưới triều vua Saint Louis (1214 - 1270) và đến thời vua François I (1494 - 1547) thì lâu đài được tân trang theo kiến trúc Phục Hưng và dùng mô típ này làm gốc. Để xây dựng lâu đài mới, hầu như toàn bộ phần công trình cũ được François I ra lệnh phá đi chỉ trừ các vọng lâu (donjon) trong sân Ovale. Thay thế vào đó, nhà vua cho mời các họa sĩ người Ý tới phụ trách việc xây dựng và trang trí lâu đài. Nhà vua còn đích thân đến thị sát thường xuyên, theo dõi tiến trình xây dựng.

Với mong muốn biến Fontainebleau thành một nơi lưu giữ những kiệt tác của thời kì Phục Hưng, François I đã cho sưu tầm các tác phẩm nghệ thuật và ra lệnh làm mới nhiều tác phẩm khác phỏng theo các mẫu đồ cổ Ý. Phần trang trí của lâu đài được giao cho một người Ý là Rosso Fiorentino, vì vậy đôi khi lâu đài Fontainebleau được gọi là "Nouvelle Rome" (Roma mới) còn trường phái Fontainebleau thì trở nên phổ biến ở khắp Tây Âu. Lâu đài Fontainebleau được hoàn thành dưới thời vua Henri II, con trai của François I, và tiếp tục được mở rộng dưới thời vua Henri IV làm cho lâu đài có thể tiếp nhận cùng lúc gần 1000 người. Một sân chơi jeu de paume của hoàng gia cũng được xây dựng trong lâu đài để đức vua có thể chơi trò thể thao quý tộc này ngay tại Fontainebleau. Ông vua nổi tiếng Louis Mặt Trời tuy đã cho xây dựng riêng lâu đài Versailles tráng lệ nhưng vẫn yêu thích Fontainebleau và cho xây dựng thêm một nhà hát tại đây.

Trong thời gian Cách mạng Pháp nổ ra, toàn bộ đồ đạc của Fontainebleau bị mang đi, lâu đài trở thành trại lính và sau đó là nhà tù. Năm 1804 hoàng đế Napoléon đã khôi phục lại vị thế của Fontainebleau khi trang bị lại đồ đạc, thường xuyên tổ chức các buổi hòa nhạc hoặc diễn kịch và cũng tiến hành các công việc cai trị nước Pháp từ lâu đài. Chính tại lâu đài này Napoléon đã ký tuyên bố thoái vị năm 1814. Trong thế kỉ 19, hôn thê của Napoléon III là Eugénie thường xuyên tổ chức các buổi tối vui chơi tại nhà hát nhỏ do chồng bà xây dựng.

Năm 1946 tại lâu đài này đã diễn ra Hội nghị Fontainebleau bàn về hòa bình cho Đông Dương giữa chính phủ Pháp và chính phủ Việt Nam Dân chủ Cộng hòa.

Năm 1981, lâu đài Fontainebleau gồm cung điện và công viên đã được UNESCO xếp hạng là Di sản thế giới.