C'est donc en voulant renforcer la défense de la ville de Paris, afin d'en faire le centre politique et religieux du royaume, quePhilippe Auguste fait construire unegrande enceinte entourant la ville. Le Louvre, situé à l'ouest de la muraille, est alors un donjon puissamment fortifié, haut de 31 mètres et large de 19 mètres qui n'a qu'une vocation strictement défensive. Celui-ci est compris au centre une enceinte carrée d'environ 70 à 80 mètres de côté, renforcée de dix tours de défense que l'on franchit par deux portes avecpont-levis situés respectivement au sud et à l'est. Deux bâtiments sont accolés au mur d'enceinte, à l'ouest et sud de la cour centrale. Au centre de la forteresse, le donjon de 15 mètres de diamètre domine le quartier du haut de ses 30 mètres avec une épaisseur de mur de 4,20 mètres à sa base. Les travaux prennent fin en 1202.

SousLouis IX, le château connaît un important agrandissement, de nouvelles salles étant construites sans réel but défensif, comme la salle Saint-Louis (1230-1240). On y transfère également le trésor royal, donnant un nouveau caractère à la forteresse.

Cependant, c'est sousCharles V, dans la deuxième moitié du XIV^e siècle, que le palais devient résidence royale. Après avoir réprimé la révolte du prévôt des marchandsÉtienne Marcel, il achève un nouveau rempart pour protéger la ville qui s'est alors considérablement développée extra-muros. Le Louvre, auparavant situé à l'extérieur de la muraille de Philippe-Auguste, est inclus dans ce nouveau système défensif. Le château prend alors une double fonction : en plus de son rôle protecteur, il devient l'une des résidences du roi et de la cour, avec lechâteau de Vincennes, l'hôtel Saint-Pol dans leMarais et lepalais de l'île de la Cité dont la fonction est plus "administrative" et notamment judiciaire avec l'installation duParlement de Paris.
Architecturalement, des nouveautés apparaissent, notamment un grand escalier hélicoïdal, dû àRaymond du Temple : engagé dans le mur du donjon, dit « la grande vis », il est décoré d'effigies de la famille royale.Drouet de Dammartin, plus tard responsable du chantier de laChartreuse de Champmol, fait ici ses premières armes de sculpteur et d'architecte.