L'existence de cet édifice médiéval, qui appartenait aux comtes de Blois, est attestée dans les textes depuis le XII^e siècle, mais aucun élément, hormis quelques traces de maçonnerie, n'avait été repéré jusqu'à maintenant. L'historienne Monique Chatenet, spécialiste du site, situe d'ordinaire l'emplacement de l'ancienne construction entre la chapelle, perchée sur une éminence, et l'angle sud-ouest du château actuel.

La découverte des archéologues se situe au pied de la tour sud-ouest. "On trouve cet édifice médiéval sous l'actuelle construction, alors qu'on l'imaginait plutôt à l'extérieur. C'est extraordinaire, les historiens de l'architecture vont relancer leurs recherches", explique Pascal Thevard, responsable du patrimoine bâti de Chambord.

Ces dernières années, l'archéologie a fait progresser la connaissance sur les origines du château. Quel est, par exemple, son architecte ? Un nom court sur toutes les lèvres : celui de Léonard de Vinci, que François I^er fit venir en 1516 à Amboise, et qui y mourut en 1519, année où les travaux de Chambord commencèrent.

En 2003, deux chercheurs, Jean-Sylvain Caillou et Dominic Hofbauer, avaient identifié, dans les latrines de la tour sud-ouest, des blocs de maçonnerie appartenant, selon eux, au château initialement projeté en 1519 : un audacieux projet d'édifice hélicoïdal, portant peut-être la main de Léonard de Vinci, mais vite abandonné. Or le mouvement hélicoïdal passionnait le grand homme. De cette obsession, il reste peut-être le fameux escalier à double volée, au coeur du château.

La fouille opérée par les archéologues de l'Inrap a livré une autre information intéressante. L'hypothèse dominante était jusqu'à présent que les fondations du château reposent sur des pilotis ou sur un treillage de bois, en raison de la nature marécageuse du sol. Mais le pied de la tour sud-ouest, où la fouille a été pratiquée, révèle, au contraire, que le château s'appuie sur un enrochement calcaire.