Das Grand Parterre, ein Garten im französischen Stil, wurde zwischen 1660 und 1664 von André Le Nôtre und Louis Le Vau angelegt und erstreckt sich über 11 Hektar. Dieser größte formale Garten Europas war der wichtigste Beitrag Ludwigs XIV. zum Schloss Fontainebleau. Die raffinierten Buchsbaumhecken wurden unter Ludwig XV. entfernt. Doch der allgemeine Aufbau der Kräutergärten und die mit Statuen geschmückten Wasserbecken sind unverändert. Besonders zu erwähnen ist das Bassin des Cascades (17. und 19. Jahrhundert). Östlich davon liegt der unter Heinrich IV. angelegte Kanal, an der Südseite, unverändert geblieben. Südlich in Richtung Wald befindet sich der runde, künstlich angelegte See mit der Statue des Flussgottes Tiber.

Dieser Landschaftsgarten wurde von 1810 bis 1812 von Maximilien-Joseph Hurtault angelegt. Obwohl bekannt ist, dass Napoleon I. für diese Art von Garten nicht viel übrig hatte, entsprach er der damaligen Mode und folgte auf verschiedene andere Gärten, die sich seit der Herrschaft von Franz I. an diesem Ort befanden. Ein künstlicher Wasserlauf schlängelt sich vorbei an Beeten mit seltenen Pflanzen und vereinzelten Statuen.

Bis zur Herrschaft von Louis-Philippe war der Garten der Diana vollständig von einer Orangerie umschlossen, die unter Heinrich IV. aus Backstein und Naturstein erbaut wurde. In dem heute noch vorhandenen Teil befindet sich im Erdgeschoss die Hirschgalerie und im ersten Stock die Galerie der Diana. Im Zentrum des Gartens steht der Brunnen der Diana (1602) mit einer Statue der Göttin.

Hier befand sich zuvor ein Sumpfgebiet, das Franz I. in ein dekoratives Wasserbecken verwandelte. Damit löste er eine Mode aus: Zunächst in Frankreich populär, wurden die Becken schließlich in ganz Europa imitiert. Wie auf allen königlichen Anwesen Frankreichs wurde das Wasserbecken mit Karpfen für die königliche Tafel gefüllt.

Mit einer Fläche von 130 Hektar erstreckt sich der Schlosspark jenseits der Erhebung des Bassin des Cascades. Einst bildete er die offizielle östliche Grenze des königlichen Anwesens. Durch den Schlosspark führte vom Dorf Avon aus der Hauptzugangsweg zum Schloss. Sein derzeitiger Aufbau mit kleinen Kaskaden und einem Netz strahlenförmig verlaufender Wege entstand im Zuge des Baus eines 2 Kilometer langen Kanals unter Heinrich IV. (1606–1609).