Entraîné quelque temps dans la disgrâce qui frappa Diane de Poitiers et son parti à la mort d’Henri II (1559), il fut néanmoins rappelé, en 1563, par Catherine de Médicis dont la passion de bâtir se passait difficilement du talent de Delorme. Il remania le château de Saint-Maur acquis par le Reine Mère, et fut choisi comme architecte des Tuileries. Outre ses magnifiques réalisations, sa participation à de nombreux châteaux (Fontainebleau, Vincennes , Villers-Cotterets, Chenonceau, Saint-Germain en Laye, etc.), on lui doit aussi l’invention, vers 1550, de la technique de construction des toits de carène de bateau renversé, comme il fut l'initiateur de l'assemblage de bois pour fabriquer de grandes pièces de bois, poutres en lamellé qui, plus tard, aboutit à la charpente en lamellé-collé. Il signa également les plans du tombeau de François Ier.