Zygmunt I Stary gruntownie zamek przebudował, nadając mu formę czworoboku z dziedzińcem wewnętrznym. Był schronieniem dla dworu królewskiego w okresie panującej w Krakowie epidemii (1527). W 1550 roku wielki pożar zniszczył skrzydło wschodnie i północne.
Za panowania króla Zygmunta Augusta odbudowano i przebudowano zamek. Prace prowadzono w latach 1551–1568 pod kierunkiem Tomasza Grzymały oraz rzeźbiarza Santi Gucciego. Wybudowano m.in. klatki schodowe od strony dziedzińca i krużganki wsparte na trzech słupach. Zasługą królowej Bony były ogrody włoskie usytuowane przy południowym skrzydle ("ogrody królowej Bony"). Od końca XVI wieku zamek przechodził w ręce rodów szlacheckich: Curyłów, Branickich, Lubomirskich. W tym czasie zmieniany był jedynie wystrój wnętrz, przebudowano kominki i stropy. Większą zmianą była przebudowa krużganków na wczesnobarokowe w latach 1635–1637.