הטירה הפכה במהרה לאחד המשכנים האהובים על מלכי צרפת. המלך שארל השמיני החליט לבנות אותה מחדש בשנת 1492 בסגנון הגותי המאוחר, אולם בשנת 1495 הצטרפו למלאכה שני בנאים איטלקיים שהפכו את טירת אמבואז לראשונה בצרפת שכללה אלמנטים מסגנון הרנסאנס. שארל השמיני מת באמבואז לאחר שנחבט בחוזקה במשקוף נמוך בתוך הטירה.
המלך פרנסואה הראשון גדל בטירת אמבואז, שהייתה שייכת באותה התקופה לאימו, לואיז, נסיכת סבויה. במהלך השנים הראשונות לכהונתו כמלך צרפת הטירה הגיעה לשיא הדרה. לאונרדו דה וינצ'י הגיע לטירה כאורחו של המלך בדצמבר 1515, שם בילה ועבד עד מותו בשנת 1519, ושם גם נקבר.
בשנת 1560, בזמן מלחמות הדת בצרפת, בית בורבון ההוגונוטי תכנן את קנוניית אמבואז כנגד בית גיז הקתולים, ששלט למעשה בצרפת בשמו של פרנסואה השני הצעיר. המורדים ניסו להסתער על טירת אמבואז, אולם הניסיון כשל, ובמהלך השבועות הבאים 1200 קושרי קשר נלכדו ונתלו על מתלי ברזל ועל עצים בחזית הטירה. לאחר מספר ימים החצר הייתה צריכה לעזוב את המקום בשל הריח שעלה מהגופות הרבות.
דעיכתה של אמבואז
לאחר מקרה הקנוניה טירת אמבואז לעולם לא חזרה לגדולתה הקודמת. בתחילת המאה ה-17 הטירה, שהייתה נטושה כמעט לגמרי, עברה לבעלותו של גאסטון, דוכס אורליאן, אחיו של המלך לואי השלושה עשר. לאחר מותו הטירה חזרה להיות רכוש המלוכה, ובמהלך מרידות הפרונד הפכה לבית כלא.
במהלך המהפכה הצרפתית הטירה נהרסה ברובה, ובמהלך שלטונו של נפוליאון בונפרטה דו"ח הנדסי קבע כי יש להרוס גם את רוב החלקים הנותרים. המלך לואי פיליפ החל בבנייה מחדש של הטירה במהלך שלטונו אך כשנאלץ לוותר על הכתר בשנת 1848 הטירה הוחרמה על ידי הממשלה והפכה למשך מספר שנים למעונו של עבד אל-קאדר אל-ג'זאירי הגולה. בשנת 1873 הטירה הועברה לידיהם של יורשיו של לואי פיליפ, שהחלו במלאכת הבנייה מחדש והשחזור של הטירה.
במהלך פלישתם של הנאצים לצרפת בשנת 1940 הטירה נפגעה על ידי הפצצות, ומשנות החמישים של המאה ה-20 יורשיו של לואי פיליפ, ובראשם אנרי, רוזן פריס, המשיכו בשחזור הטירה, עבודה שנמשכת עד היום. הטירה הקיימת כיום מהווה רק חמישית מהגודל של הטירה המקורית.
