Het interieur van het kasteel van Chenonceau is fraai gedecoreerd en gemeubileerd. Tot de interessantste kamers behoort het slaapvertrek van Diane Poitiers (Chambre de Diane Poitiers). De schouw van de beeldhouwer Jean Goujon (ca. 1510-1568) is zeer elegant. De stijl is kenmerkend voor de hofstijl te Fontainebleau. De sierlijke langgerekte vrouwenfiguren op de hoeken zijn karakteristiek voor het werk van Jean Goujon (onderstaande foto’s). De goudkleurige bekroonde H verwijst naar Koning Hendrik II. De verstrengelde C lijkt enigszins op een D en wordt ook wel opgevat als een ironische verwijzing naar de vrouw die Hendrik II lief had.
Een ander hoogtepunt onder de vertrekken is de werkkamer van Catherine de’ Medici, het Cabinet Vert. Zeer bijzonder is het 16de-eeuwse plafond, bestaande uit tinnen bladen met groene schilderingen. In deze ruimte hangen enkele schilderijen van bekende kunstenaars, waaronder Tintoretto (onderstaand portret van een doge) en Jordaens. Ook de 16de -eeuwse Brusselse wandtapijten en twee Italiaanse kasten uit de zestiende eeuw zijn bijzonder. De aangrenzende kamer met zicht op de rivier de Cher was de bibliotheek van Catherine de’ Medici. Deze ruimte is voorzien van een eikenhouten cassetteplafond uit 1525.
De 60 meter lange Grande Galerie is tussen 1570 en 1576gebouwd in opdracht van Catherina de’ Medici. De architectuur en de inrichting zijn vorm gegeven in een classicistisch stijl. Symmetrie, corresponderende verhoudingen en repeterende architectonische motieven en decoraties waren normgevend. Dit ging zo ver dat er als tegenligger van de haard aan de noordzijde een nephaard is geplaatst aan de zuidkant. Deze zaal diende als balzaal.
De kamer van Frans I heeft ook een indrukwekkende schoorsteenmantel. De verfijnde motieven onderaan zijn typerend voor de renaissance. Daarboven staat S’il vient á point, me souviendra’. Dit is de lijfspreuk van Thomas Bohier, de eerste eigenaar. In dezelfde kamer staat ook Italiaans meubilair uit de 16de-eeuwdat is ingelegd met parelmoer en ivoor. Op het bovenstaande schilderij van Francesco Primaticcio, getiteld ‘Diane de Poitiers als jachtgodin’ , is de minnares van Hendrik II afgebeeld. Het schilderij van de 3 gratiën toont de minnaressen van Lodewijk de 14e (zie voor meer informatie Lustslot Chenonceau; waar verleiding een kunstvorm was). Let in de bijbehorende salon vooral op het fraaie Franse plafond, een werk van Rubens en een portret van Madame Dupin (zie de vrouwen van Chenonceau).
De centraal gelegen inpandige rechte trappen, gerealiseerd tussen 1513 en 1521, waren destijds zeer vernieuwend. Ze behoorden tot de eerste rechte trappen in Frankrijk. Het ontwerp is geïnspireerd door het Italiaanse voorbeeld. Op onderstaande foto zie je het fraai versierde gewelf. De keukens lagen in twee holle brugpijlers. Deze waren voorzien van bijkeukens, provisiekamers en een slachterij.
