En 1470, Pierre de Refuges, conseiller du prince Charles d'Orléans et trésorier du roi Louis XII, décide de transformer les ruines du château en une véritable forteresse. Son architecture défensive dénote à une époque où l'on ne construit plus de château fort mais de belles demeures. La construction adopte un plan classique quadrangulaire formé par trois corps de bâtiments autour d'une cour avec un donjon rejeté au nord-ouest. Une poterne fortifiée, une courtine d'entrée à mâchicoulis, un pont-levis à flèche et un chemin de ronde renforcent la puissance de l'édifice. Au début du XVIe siècle, Jean de Villebresme (le petit-fils) tente d'embellir le château. Il introduit des éléments de la Renaissance pour rendre la demeure plus confortable et agréable. Il construit le corps de bâtiment à l'est avec une magnifique galerie ouverte à arcades. Elle rappelle celle du château de Blois édifiée par le roi Louis XII. La cour intérieure se pare de décors Renaissance. En 1812, le château devient filature. Pour cela, la Bièvre est détournée sous la chapelle. La voûte d'ogives disparaît pour laisser la place à une roue à aubes. L'état rachète le domaine en 1932. Un jardin potager d'inspiration médiévale agrémente le parc du château. Il se trouve enserré par la Bièvre et son bief. Le château de Fougères sur Bièvre se distingue des châteaux de la vallée de la Loire qui se veulent demeures de plaisance et non une puissante forteresse.