Outre la restauration du batiment, les fouilles archéologiques préventives du chantier, menées par l'Inrap, ont cependant révélé le passé de ce monument historique. Le château de François 1er, au XVIe siècle, a en effet été construit sur les fondations d'un autre château, datant du Moyen-Âge (XIIe siècle environ), qui appartenait aux comte de Valois: une forteresse rectangulaire, cernée par un profond et large fossé. D'autres découvertes ont été mises à jour depuis le début du chantier en janvier 2020. Les fouilles ne seront pas achevées avant mai 2023.
Le lieu a été choisi par sa symbolique: en 1539, François 1er y a signé l’Ordonnance de Villers-Cotterêts, qui rend obligatoire l’usage de la langue française dans les actes de l’administration et de la justice, à la place du latin.