Grâce au sondage réalisé aux pieds de la tour sud du donjon, les archéologues ont mis à jour les vestiges d’une tour médiévale arasée à environ 1,80 m sous le niveau de la cour. Il s’agit sans doute de la forteresse élevée par les comtes de Blois que mentionnent plusieurs documents d’archives du XVe siècle conservés dans le fonds ancien de la bibliothèque Abbé Grégoire à Blois. Ainsi, l’ancienne construction médiévale a servi pour partie de fondations au nouveau palais de François Ier (qui ne comprenait initialement que le donjon).