Le château présente en réalité deux parties :
La tour des Marques n'est autre que les restes de l'ancien château médiéval de la famille des Marques, rasé par Thomas Bohier en 1515. Elle correspond au donjon de l'ancienne bâtisse, et est constitué d'une tour ronde, ainsi que d'une tourelle abritant la cage d'escalier. Thomas Bohier va réhabiliter la tour en lui donnant un aspect plus moderne, dans le goût Renaissance, grâce au percement de larges fenêtres à meneaux, d'une porte ouvragée, de lucarnes en pierre blanche, et l'ajout d'un clocheton (dont la cloche porte la date de 1513). Bohier fait également installer de petites consoles sur le chemin de ronde, et recouvre l'ancienne maçonnerie de mortier, cachant ainsi les anciennes archères (dont il subsiste néanmoins des traces).
Il réalise également un perron de pierre (du type de ceux visibles à Bury, Nantouillet, ou encore au premier château de Chantilly), correspondant à une certaine mise en scène de l'entrée, à la mode au XVIe siècle. Enfin, Thomas Bohier fait sculpter les lettres TBK sur la tour (signifiant Thomas Bohier/Briçonnet Katherine).
Sur le côté, on peut encore apercevoir le puits, orné sur la margelle d'une chimère et d'un aigle bicéphale, emblème des Marques.
Cette tour abrite aujourd'hui la boutique de souvenirs, mais le public ne peut pas accéder au sommet.
Il est constitué d'un corps de logis presque carré (22m sur 23) de deux étages (plus un sous-sol) flanqué de tourelles d'angle, construit sur les puissantes assises de pierre de l'ancien moulin bordant naguère la rive droite. Celui-ci est prolongé d'un corps de bâtiment de deux étages et d'un comble qui s'appuie sur la façade sud du logis, construit en 1560 par Philibert Delorme dans un style déjà presque classique, et reposant sur un pont de cinq arches enjambant le Cher. L'étage inférieur est notamment occupé par une galerie.
On accède au rez-de-chaussée du corps de logis principal par un escalier suivit d'un petit pont.
On compte deux jardins principaux : le jardin de Diane de Poitiers et le jardin de Catherine de Médicis, situés de part et d'autre de la tour des Marques, vestige des fortifications précédant l'édification du château actuel.
En 1565 les jardins de la rive gauche du Cher étaient "nouvellement construits" (terrier du château).
" (...) la fontaine du rocher de Chenonceau construite par Bernard (Palissy) pour Catherine (de Médicis); elle était déjà existante du temps de Diane de Poitiers, et avait servi à alimenter les bassins de son parterre (...) (dans) le parc de Francueil, sur la rive gauche du Cher (...) fut aménagé un jardin bas en bordure du fleuve, composé de deux vastes carrés séparés d'une allée tracée dans le prolongement de la galerie, accentuant l'axe Nord-Sud déjà si fort. Le coteau était percé de grottes" (S. Lesot, op.cit. p. 102).
Le jardin de Diane de Poitiers, dont l'entrée est commandée par la maison du Régisseur : la chancellerie, construite au XVIe siècle ; au pied de laquelle se trouve un embarcadère, agrémenté d'une vigne, accès indispensable à toute promenade sur le Cher. En son centre se trouve un jet d'eau, décrit par Jacques Androuet du Cerceau dans son livre Les plus excellens bastiments de France (1576). D'une conception surprenante pour l'époque, le jet d'eau jaillit d'un gros caillou taillé en conséquence et retombe « en gerbe » vers un réceptacle pentagonal de pierre blanche.
Ce jardin est protégé des crues du Cher par des terrasses surélevées depuis lesquelles on a de beaux points de vue sur les parterres de fleurs et le château.
Le jardin de Catherine de Médicis est plus intime, avec un bassin central, et fait face au côté Ouest du château.
La décoration florale des jardins, renouvelée au printemps et en été, nécessite la mise en place de 130 000 plants de fleurs cultivés sur le domaine.
La grande allée d'honneur menant au château est plantée de platanes sur presque 1km. La paire de sphinges du XVIIIe siècle encadrant l'allée d'honneur, installée par les marquis de Villeneuve provient du château de Chanteloup à Amboise, ancien domaine du duc de Choiseul, dépecé au XIXe siècle.
On voit une autre paire de sphinges au départ de l'escalier d'honneur du Château-Margaux (1810), en Gironde.