L'aile a été construite entre 1565 et 1570 sur les dessins de Primatice et sous l'ordre de Catherine de Médicis.
Elle est marquée par deux escaliers à rampes divergentes. Elle présente en outre un remarquable équilibre en utilisant uniquement le vocabulaire architectural de la Renaissance (bossages au rez-de-chaussée, pilastres toscans, niches). A la différence des constructions de François Ier, cette façade est entièrement traitée en pierre de taille de Saint-Leu, ce qui lui confère un aspect plus homogène (cf. Porte Dorée). Les niches présentent des statues de bronze, à l’origine copies d’antiques réalisées par Primatice, à partir des moulages faits à Rome (celles ici présentées sont des années 1930). Il s’agit de dieux et de héros de la mythologie gréco-romaine.
