根据法国文献记载,枫丹白露宫的历史可追溯自12世纪的卡佩王朝,当时的君王路易六世因喜爱狩猎,于是在此修筑了一个城堡。1169年,路易七世在具父所建的城堡中增建了一座礼拜堂,成为枫丹白露宫扩建的开端。1259年,路易九世继续着前任帝王的扩建工作,还在此地为三一教派的僧侣们修建大修道院。自此开始,法国皇室便时常光临枫丹白露宫,在附近的森林中狩猎。为了解决休息住宿问题,皇室在林中增建了许多度假小屋这为枫丹白露宫打造出了雏形。
14世纪时,查理六世的王妃——伊莎菠积极修建枫丹白露宫,又增建了一座有名的“椭圆形广场”;1429年,伊莎菠的儿子查理七世因为得到圣女贞德的协助,在兰姆斯人教堂正式加冕为法国皇帝。查理七世自幼与生母伊莎菠不合,所以对自己母亲大力修建的枫丹白露宫一直存有嫌隙之心,他几乎不去那里,任其荒芜。
路易十四即位后,沉寂多年的枫丹白露宫重新得到重视,并成为路易十四建设凡尔赛宫的范本,法国文艺复兴风格建筑聚集之地。当然这还要归功于在此之前另一位法国皇帝佛朗索瓦一世对枫丹白露宫的大规模整建。佛朗索瓦一世非常喜爱枫丹白露附近的森林,并且认为,要想彰显自己作为帝王的权威,除了对外拓展军事力量外,还要在国内建造豪华的宫殿以显示国力的强大。另外,弗朗索瓦一世远征意大利时受文艺复兴思想影响很深。回国后,他丹始大规模整修枫丹白露宫,以此作为其实现文艺复兴风格建筑巨作的开端。出生于巴黎的文艺复兴派建筑家布雷顿首先受到佛朗索瓦一世的任命。他将枫丹白露宫残余的中世纪建筑全部加以整建。除了拆除旧有宫殿,兴建行宫新建筑外,布雷顿秉承传统与当代风格相结合的理念,设计出新颖典雅的枫丹白露宫。1531年,他还在宫殿中增建了一条堪称杰作的佛朗索瓦一世回廊,并将原来一处修道院旧址改建为两层式楼房建筑物,并添加了一个环绕在这个建筑物四周的白马广场。为了让宫殿内景能与华丽典雅的外观风格趋于一致,1530年,他聘请了佛罗伦萨的知名画家高凡尼贝蒂斯塔罗苏负责宫殿内部装潢。1532年,罗苏又邀请了一大批艺术家共同进行此工程,这批各有专长的艺术家以雕塑或壁画绘画的形式,为枫丹白露宫留下许多具有浓郁文艺复兴风格的艺术极品。后来以这群艺术家为核心,发展出所谓的“第一枫丹白露派”,为世界艺术史留下无数精彩之作。
除了佛朗索瓦一世之外,亨利四世也是枫丹白露宫建筑历史上值得提的重要人物。这位1589年即位的国王为了整修枫丹白露宫,投入了庞大的修筑经费,并聘请当时一流的建筑师与艺术家,为他的整修工程进行严整的规划。整修之后的枫丹白露宫规模比以前更富丽堂皇、气派非凡。整修工程中最重要的一项工作是将椭圆形广场的一部分重整为今天的白马广场,再把佛朗索瓦一世回廊设计为这两座广场的联络通道。幽静雅致的黛安娜庭园建于回廊北边,几经战乱仍保持着原貌的鲤鱼池则建于回廊南边的喷泉广场内。另外,亨利四世还在椭圆形广场紧邻皇太子广场的侧面,添建了一排厅室,作为行政办公之处。至此,枫丹白露宫的规模与格局基本成形。司佛朗索瓦一世的做法一样,进行宫殿内部的装潢施工时,亨利四世从法国各地聘请了许多著名的画家及雕刻家前来创作。这些各有所长的艺术家们,让宫殿内外气势变得更为宏大。后来他们还形成了“第二枫丹白露派”。枫丹白露宫耀眼夺目的光彩持续了30多年,直到路易十四兴建了凡尔赛宫,它才变为法国皇室的次要宫殿。
亨利四世之后的法国皇室,没有为枫丹白露宫添加更出色的建筑。而在路易十六时期,则对枫丹白露宫进行了不恰当的修建,原有建筑的整体性一度被破坏。法国大革命时期,枫丹白露宫遭到一定程度的损毁,宫殿中收藏的珍奇宝物、名贵家具全都被掠夺一空。拿破仑即位后,在此地大兴土木,枫丹白露宫才得以重现昔日光彩。拿破仑进行改建整修工程时表现出极为保守的作风,保留了枫丹白露宫外观上的原始风格。拿破仑改建时增添的较为重要的建筑包括改建自白马广场的阅兵场,皇后约瑟芬亲自设计的英式庭园,还增建了俯瞰黛安娜庭园的回廊建筑。此外,拿破仑为居住之便对亨利四世的起居间、会议室等厅室做了许多修改,以符合其个人所需。1814年,拿破仑在“君王之屋”的书房里签下了退位书,也为其传奇的一生画上了句号。随着拿破仑的退位,枫丹白露宫终于在法国历史舞台上隐退了。虽然如此,这座活跃了600多年的宫殿,却也因为其壮观而多元化的建筑风格以及数目巨大的无价艺术珍品,成为法国境内无可替代的,集文化、艺术与历史价值于一身的遗产重地。