Le successeur de Charles III, Henri II décide de reconstruire entièrement le château pour faire de Lunéville l’une de ses résidences principales. En 1609, l’architecte Nicolas Marchal et le mathématicien Jean-Baptiste Stabili dressent des plans pour un pavillon. Deux ans plus tard, l’architecte Jean Lyot élabore de nouveaux projets ; les travaux sont confiés à Jean La Hiere, architecte des bâtiments ducaux, qui réalise de nombreux édifices à Nancy et ailleurs en Lorraine ducale. Le chantier se termine vers 1620 avec la création par Hector Parent du jardin « au derrière du château ». La construction entraîne la disparition progressive de l’ancien édifice médiéval, dont il ne reste en 1630 qu’ « un vieux corps de logis » et une tour en très mauvais état.
La demeure de Henri II est connue par un relevé de 1690 conservé aux Archives départementales de Meurthe-et-Moselle. De plan en U, elle se compose d’un corps central flanqué de deux importants pavillons et de deux corps de portique en retour d’équerre se terminant chacun par un petit pavillon rectangulaire. Un mur percé d’un portail ferme la cour. Un escalier en fer à cheval donne accès au jardin. Ce plan reste lisible dans le château actuel, dont le corps central s’élève aujourd’hui sur les fondations de l’ancien, qui occupait, comme aujourd’hui, le point le plus élevé du site.
Ce deuxième château n’est habité que très peu de temps par le duc de Lorraine. Moins de vingt ans après sa construction, il est incendié lors du conflit avec la France, qui entraine en 1638 le siège de Lunéville puis la démolition de ses fortifications. D’ailleurs, la Guerre de Trente Ans prive la Lorraine de ses souverains légitimes jusqu’en 1697, date du Traité de Ryswick qui restitue enfin au duc Léopold la souveraineté de ses états.
Quelques mois après la mort de Stanislas, le château est transformé en caserne. Louis XV y envoie une garnison de la Gendarmerie de France. Celle-ci forme un corps d’élite composé de dix compagnies, totalisant près d’un millier d’hommes. Reconnaissables à leur vêtement de drap écarlate, ils sont surnommés les « Gendarmes Rouges ». Un premier détachement arrive à Lunéville dès le 13 novembre 1766 et s’installe au château. Vingt ans plus tard, la Gendarmerie de France est dissoute. Elle est remplacée à Lunéville par deux régiments de « carabiniers de Monsieur », qui disparaissent à leur tour à la Révolution.
Le château est alors totalement désaffecté. La chapelle est transformée en magasin à fourrages, avant de servir de salle de réunions aux révolutionnaires locaux. Ce qui reste du mobilier et des boiseries du château, des statues du parc et des automates du « Rocher » est vendu comme bien national.
Sous la Restauration, le château retrouve une fonction militaire, qu’il conservera de façon partielle jusqu’à nos jours. En reconnaissance de sa fidélité à la royauté, Louis XVIII donne en 1816 au prince de Hohenlohe la jouissance du château. Ce dernier y crée en 1824 un centre de cavalerie militaire qui sert d’école aux officiers. Il devient par ailleurs gouverneur du camp. Une large place y est réservée aux distractions, apportant une animation nouvelle dans la cité. Fêtes hippiques, bals et réception ressuscitent au château la vie brillante du XVIIIe siècle. En 1852 s’installe toute une nouvelle division de cavalerie. Les officiers sont logés dans les anciens appartements ducaux donnant sur le jardin. Des écuries sont construites sur le côté nord, dans la cour dite « du Rocher ». Malgré les contraintes de la vie militaire, la présence de l’armée durant tout le XIXe siècle permet la sauvegarde et l’entretien de l’édifice. De grands travaux de restauration ont lieu suite à deux incendies : le premier en 1814 détruit une partie de l’aile nord, le second en 1849 provoque d’importants dégâts côté sud.