La première mention dans une charte royale d'un château à Fontainebleau remonte au XIIe siècle. Le donjon médiéval se transforme en véritable palais à la Renaissance sous l'impulsion de François 1er et avec l'aide d'artistes italiens. Les agrandissements se poursuivent jusqu'au 17e siècle, pour s'achever sous le règne de Henri IV.
Au lendemain de la Révolution française, Napoléon 1er lance les premières campagnes de restauration du palais qui se poursuivront notamment sous le règne de Louis-Philippe. Haut lieu de l'histoire de France, le château de Fontainebleau est une résidence régulière pour les rois de France de François 1er à Napoléon III. A partir de la 3e République, il est utilisé comme résidence présidentielle.
Le château est classé monument historique par la liste de 1862. Ce classement initial sera complété par différents arrêtés supplémentaires en 1913, 1930, 2008 et 2009. En 1981, le château et son parc sont inscrits au patrimoine mondial de l'UNESCO.
En 1927, le château devient musée national. Depuis 1921, il abrite dans ses locaux le conservatoire américain puis l'école des beaux-arts américaine (1923).
En 1998, le domaine national de Fontainebleau et le musée national sont rassemblés sous une même autorité. L'année suivante, en 1999, ils sont érigés en service à compétence nationale. En 2009, l'institution est transformée en établissement public.
Installées dans les bâtiments dont elles ont la charge, les agences d'architecture sont des administrations publiques qui vont dépendre tour à tour du ministère de la Maison de l'Empereur et des Beaux-Arts et du ministère des Travaux publics jusqu'en 1896. A cette date, elles sont rattachées au ministère de l'Instruction publique. Supprimées en 1908, les agences d'architecture sont recréées après 1945. En 1959, elles rejoignent le ministère des Affaires culturelles en même temps que la direction de l'Architecture dont elles font partie.
L'agence d'architecture du palais de Fontainebleau fait la jonction entre l'Etat, ordonnateur et payeur des travaux, l'architecte en charge des travaux et les entrepreneurs qui les exécutent. L'agence est chargée de superviser à la fois les travaux d'entretien et ceux dits de "construction et grosses réparations" sur les bâtiments qui lui sont confiés. Outre le palais de Fontainebleau, relèvent de l'agence les bâtiments forestiers, les forêts de Villefermoy et Saint-Germain-Laval (Seine-et-Marne). En 1855, les bâtiments forestiers de la forêt de Sénart sont également rattachés à l'agence du palais, puis en 1859, les domaines de Sologne (Loir-et-Cher) et de Pompadour (Corrèze).
L'agence est dirigée par un architecte des bâtiments du roi puis architecte des bâtiments civils et palais nationaux.
Liste des architectes qui se sont succédés au XIXème siècle, jusqu'à la liquidation de la Liste civile en 1870 :
Les agences d'architecture sont définitivement supprimées à partir des années 1990, à la suite de la réforme de la maîtrise d'ouvrage publique (loi MOP du 12 juillet 1985). En 1991, le corps des architectes des bâtiments civils et palais nationaux est mis en extinction et la gestion des bâtiments de l’État classés au titre des monuments historiques est confiée au corps des architectes en chef des monuments historiques.