正確な時期は不明ですが、フォンテーヌブローに城砦があったことが知られており、当時の名残が「楕円形の中庭」のドンジョン(主塔)に残っています。この場所に、王の寝室があり、尊厳王フィリップ２世や聖王ルイ９世、美貌王フィリップ４世などが使用しました。特に、聖王ルイはフォンテーヌブローを愛し、１２５９年には三位一体修道会の修道院を建てています。

　度重なるイタリア遠征によって、イタリアのルネサンス芸術に魅了されたフランソワ１世は、国家の威信を高めるため、自ら芸術家をイタリアより招聘し、国家的な芸術復興を推進ようとしました。そこで、フォンティーヌブローをこよなく愛したフランソワ１世は、１５２８年に元々あった王家の狩の館を元に、新しい宮殿の建設に着手。中世からの建物を残しながら、現在の南門（黄金の門）を含む「楕円形の中庭」を囲む建物のほとんどを建築しました。「舞踏会の広間」「サン・サチュルナン礼拝堂」「エタンプ夫人の寝室」などがその代表で、今もその姿を残しています。

　そして、「馬蹄形の階段」を備えた現在の主要棟を建築し、さらに２つの建物群を結ぶための「フランソワ１世の回廊」を作りました。イタリア人芸術家のロッソ・フィオレンティーノが装飾を担当し、ルネサンスの香りのあふれる優美で洗練された空間が演出されました。
　フランソワ１世はこの時期、フォンテーヌブローに多くの芸術家を集めて庇護し、「フォンテーヌブロー派」と呼ばれる芸術家たちが活躍した。また、王はレオナルド・ダ・ヴィンチやラファエロの絵画を始め、彫刻、タペストリーなど様々な芸術品を集め、フォンティーヌブローはヨーロッパの芸術の一大中心地となりました。この時代ごろから、舞踏会などの華やかな祝祭が頻繁に催されるようになり、宮殿はその舞台となりました。
　
　フランソワ１世の後を継いだアンリ２世は、宮殿の大規模な拡張を実施したほか、「舞踏会の広間」ほか室内の装飾にも力を入れました。そして、その王妃カトリーヌ・ド・メディシスが続く３人の国王の摂政として実権を握った時代を経て、１５５３年よりフランスの王位はヴァロア家からブルボン家のものへとなります。

　ブルボン家初代のアンリ４世もまたフォンテーヌブローを愛し、様々な拡張や芸術的装飾を行ないました。この時期には第２期フォンテーヌブロー派と呼ばれる芸術家たちによって「ディアナの回廊」や「牡鹿の回廊」がつくられ、「ルイ１３世の間」や「三位一体礼拝堂」の円天井の装飾なども手がけました。また、アンリ４世は庭園の整備も行ない、樹木の生い茂った庭園に1200ｍもの長さの運河を設け、大花壇も整備しました。

　「ルイ13世の間」にその名を残すルイ１３世は、１６０１年にこのフォンテーヌブロー宮殿で誕生しました。父アンリ４世の暗殺により１６１０年に８歳で王位につき、フランス絶対王政の基礎を築きました。 現在、宮殿の中心となっている「馬蹄形の階段」はルイ１３世の時代に改修されたものです。
　そして、太陽王ルイ１４世の治世にフランスは絶対王政の頂点を迎えます。この時代から、王の定めによって毎年秋９〜11月の狩の時期に宮廷が丸ごとフォンテーヌブローに移されるようになり、それに合わせて宮殿は大幅に改築されました。さらに１６８３年に秘密結婚をしたマントノン夫人のために、王は「マントノン夫人住居棟」といわれる部分の改装も行なわれています。
　太陽王によってフランスの絶対王政が確立すると、王とそれを取り囲む貴族たちの宮廷文化はさらに華やかになっていきます。その後のルイ１５世、ルイ１６世の時代にフォンテーヌブローは多くの建物が新築されました。ルイ１５世は、「国王の階段」を新設したほか、「会議の間」を新装するなど住居棟の配置や装飾を大幅に変更しました。ルイ１６世の時代には、王妃マリー・アントワネットのために一続きの３部屋（遊戯室・寝室・私室）が当時の流行に合わせて装飾されました。

　１７８９年にフランス革命が発生すると、これまでの華やかな宮廷文化は一気にくつがえりました。長い革命期にすべての王宮は調度品が売却されるなど荒廃。フォンテーヌブローもその例外ではありませんでした。しかし、その後、皇帝となったナポレオンが、フォンテーヌブローを自らの権威の象徴とし、再び宮殿を君主のための館として復活させました。
　ナポレオンは、自分の住みやすいように「ナポレオン１世の住居棟」を機能的に改装するとともに、自分の好みにあった家具調度を新調。また、皇后ジョゼフィーヌや後に再婚した皇后マリー・ルイーズのためにも私的な新しい居住スペースを整えました。そして、元々「国王の寝室」であった部屋を「玉座の間」として豪華に改装したほか、放置されていた「ディアナの回廊」を図書室として見事につくり替えました。それに加えて、西側の建物を壊して鍛鉄の格子門を設置するなど、現在のフォンテーヌブロー宮殿はほぼこの時代に整えられました。また、軍人であるナポレオンは、ルイ１５世の翼館に特別仕官学校を設置しています。
　ナポレオンはフォンテーヌブローの宮殿で退位を決意し、流刑地エルバ島へ旅立って行きましたが、「フォンテーヌブローはまさに王たちの住居にふさわしい館である。ヨーロッパ中を探しても、これほどくつろぎを覚え、幸せが感じられる場所は他にない」と後に言い残しているそうです。

　続いて、フランスはルイ１８世・シャルル１０世の王政復古の時代を経て再び革命が起こり、ルイ・フィリップが王位について「七月王政」と呼ばれる治世となりました。そして、この時代にフォンティーヌブローは最後の大規模な改修が実施されました。「絵皿の回廊」や「衛兵の間」などがその部分です。
　そして、１８５２年からのナポレオン３世の第二帝政の時代、フォンテーヌブローは最後の輝きを見せます。皇后ウージェニーにより宮殿の改装が行なわれ、「中国博物館」を創設しました。当時のヨーロッパは東洋ブームであり、皇后により改装されたサロンにも中国の美術工芸品が数多く展示されています。
　
　パリからも日帰り圏内のフォンテーヌブローは、王家ゆかりのこの宮殿のほか、ロッククライミングでも有名な場所。印象派の画家たちの愛したバルビゾンの村にも近く、多くの観光客を集めるフランスの人気スポットとなっています。