Alors que la Renaissance italienne bouleverse l'art européen, les premières décennies de l'architecture parisienne sont encore influencées par le flamboyant, comme en témoignent le décor de la Grand-Chambre du palais de la Cité. L'Hôtel de Ville et l'église Saint-Eustache apparaissent comme des expériences hybrides : ainsi cette dernière s'inspire-t-elle de Notre-Dame, tant dans ses volumes que dans son plan.
La véritable originalité survient avec le style classique, inspiré de l'Antiquité, œuvre de Philibert de l'Orme, Pierre Lescot, Jean Goujon, Jean Bullant et Baptiste Androuet du Cerceau (voir Jacques Androuet du Cerceau). Le symbole de cet art nouveau est la fontaine des Innocents (1549), dont les bas-reliefs font l'admiration des artistes. Le chantier de reconstruction du Louvre permet à ces architectes de donner au classicisme français toute sa dimension, exploitant la richesse de la sculpture décorative. La construction du palais des Tuileries (à partir de 1564), bientôt relié au Louvre, accentue le caractère monumental du projet.
L'hôtel parisien prend forme : un bâtiment sur rue relié par deux ailes perpendiculaires à un corps de logis élevé entre cour et jardin. Sont ainsi édifiés l'hôtel de Ligneris (actuel hôtel Carnavalet) et l'hôtel d'Angoulême (actuel hôtel Lamoignon). La pierre appareillée, mêlée à la brique à partir des années 1570, est utilisée pour les bâtiments les plus remarquables.
Des églises sont édifiées ou achevées (Saint-Étienne-du-Mont, Saint-Gervais-Saint-Protais, Saint-Merri) et rompent progressivement avec le modèle gothique, surtout dans le décor, qui épouse désormais le style classique : il en est ainsi des jubés construits à Saint-Germain-l'Auxerrois (1544, aujourd'hui disparu) et Saint-Etienne-du-Mont (1545). Certains autels témoignent également de cette introduction du classicisme (église Saint-Merri). L'un des ensembles religieux classiques les plus remarquables est le cloître des Célestins, édifié en 1541 (aujourd'hui disparu). La chapelle des Orfèvres témoigne également de ce nouveau style. Dans le chœur de l'église Saint-Médard et celui de Saint-Martin-des-Champs, des piles traitées en colonnes classicisantes se combinent avec des voûtes nervurées. La chapelle de l'abbaye Saint-Victor est reconstruite.
Les souverains successifs impulsent tout au long du siècle d'autres transformations architecturales et urbanistiques (pont Notre-Dame, maisons construites dans le cadre de nouveaux lotissements). La ville classique se construit peu à peu sur la ville médiévale, les maisons à pans de bois finissant par disparaître totalement du paysage.