La disposition de cette chapelle, installée au-dessus d’une chapelle basse, rappelle celle de la Sainte Chapelle de Paris. Voûtée en 1546, elle comporte au centre un lanternon, abattu sous Louis XV, et rétabli par l’architecte Boitte, en 1882. La tribune d’orgue, avec ses colonnettes ioniques en marbre, est l’œuvre de Philibert Delorme. Le décor peint est réalisé sous le règne d’Henri IV. En 1807, Napoléon Ier décide d’installer dans cette chapelle la bibliothèque du château, fonction qu’elle conserve jusqu’en 1851.