Le vaste domaine boisé de Chambord fut acheté en 1392 aux comtes de Blois par la famille d'Orléans. Lorsque le duc d'Orléans devient roi de France en 1498 sous le nom de Louis XII, le domaine de Chambord devient propriété de la Couronne.
En 1516, François Ier revient d'Italie avec Léonard de Vinci et le désir de réaliser un grand édifice dans le style de la Renaissance italienne. En 1519, le site de Chambord est choisi pour ouvrir le chantier d'une résidence de chasse sur l'emplacement d'un ancien château fort. À partir de 1526, 1 800 ouvriers travaillent à la construction du château. Elle s'achève après de multiples agrandissements en 1547, à la mort du roi, par l'aile des appartements royaux. François Ier a finalement passé très peu de temps à Chambord, pour quelques parties de chasse et pour démontrer sa puissance à son rival, Charles Quint.
Les rois de France délaissent le château après la mort de François Ier, et il se dégrade peu à peu.
En 1639, Louis XIII le donne à son frère Gaston d'Orléans. Louis XIV fait à nouveau entreprendre des transformations en 1684, pour faire couvrir la chapelle, et relier les quatre appartements du vestibule nord du premier étage en enfilade pour en faire son logis, architecture intérieure dont on retrouvera la structure au château de Versailles. Molière y a donné sa première représentation du Bourgeois gentilhomme le 14 octobre 1670.
De 1725 à 1733 le château a été occupé par Stanislas Leszczyński, roi détrôné de Pologne et beau-père de Louis XV. De 1745 à 1750, il sert de caserne au régiment de Maurice de Saxe. En 1792 le gouvernement révolutionnaire fait vendre le mobilier. Napoléon Bonaparte donne le château au maréchal Berthier. En 1821, le domaine est racheté à sa veuve grâce à une souscription nationale, qui l'offre au jeune Henri d'Artois, duc de Bordeaux, né l'année précédente. Après la révolution de 1830, celui-ci prendra, en exil, le titre de courtoisie de « comte de Chambord ». Avant cela, Charles X l'aura occupé brièvement et le fait restaurer sommairement. Pendant la guerre franco-allemande de 1870 il sert comme hôpital de campagne. Le comte de Chambord y résidera très brièvement en 1871, et lancera depuis Chambord un manifeste aux Français, appelant à la restauration de la monarchie et du drapeau blanc. Après 1883 le château appartient à l'ancienne famille régnante du duché de Parme, le duc Robert de Parme l'ayant hérité de son oncle maternel, le comte de Chambord.
Le domaine, racheté onze millions de francs-or à Élie de Bourbon, est la propriété de l'État depuis 1930 qui le gère par le truchement de l'Association des amis de Chambord. En 1945 un incendie détruit une partie de la toiture du donjon sud-est. En 1947 commence une grande remise à niveau de ce qui est devenu une attraction touristique majeure avec notamment des spectacles Son et lumières.
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