Едва Приматиччо прибыл в Фонтенбло, как у него, подобно Россо, появилось множество обязанностей. Его дар расцвел в этом удивительном месте, и прославился он прежде всего как несравненный декоратор при отделке парадных залов. Приматиччо продумывал сценарии придворных празднеств, оформлял их; делал эскизы мебели, ювелирных изделий. По поручению Франциска I в 1540 году Приматиччо отправился в Рим с целью приобретения коллекции античных скульптур. Вазари пишет об этой миссии Приматиччо: «Он накупил сто двадцать пять штук всяких бюстов, торсов и фигур». Большинство из этих произведений были вскоре отлиты мастером в бронзе. Некоторые из этих слепков, ранее украшавших Фонтенбло, в настоящее время находятся в музеях Рима и Ватикана, в частности такие шедевры, как «Нил» и «Ариадна», а другие пополнили коллекцию Лувра («Тибр», «Лаокоон», «Венера»). Бенвенуто Челлини вспоминал в своих мемуарах, с каким торжеством были встречены бронзовые отливки Приматиччо, которые сразу же после их доставки в Фонтенбло были выставлены на цоколе галереи Близнецов – королевской галереи. Франциск был необыкновенно доволен, поскольку его дворец, по словам Челлини, стал воплощением нового Рима: «Это была на едином порыве воодушевления возникшая остроумная, несколько безрассудная, необыкновенная ночная феерия. Зрелище всем представлялось волшебным, это была самая настоящая сказка, мир чудесного. Цоколь с бронзой освещался и свечами в канделябрах, и множеством факелов».

Скульптуры, созданные Приматиччо, украсили сады, в которых утопал замок, ниши, окружавшие Чудесный источник. По свидетельствам современников, придворные были в полном восторге при виде этого необыкновенного зрелища, и с этого времени при дворе стало привычным обсуждение рассматриваемых коллекций, оценивание их с разных точек зрения.

Чтобы пополнить коллекцию Фонтенбло (как оказалось, пополнять ее можно было бесконечно), Приматиччо ездил в Италию еще два раза: первый раз при жизни Франциска I, в другой раз уже по поручению Генриха II. Из первой поездки мастеру пришлось срочно вернуться: Франциск сообщил ему, что скончался Россо и, по свидетельству Вазари, «…осталась незаконченной длинная галерея, начатая по его проекту и в значительной своей части им уже отделанная лепниной и живописью».

В 1541 году Приматиччо получил новое назначение организатора и руководителя всех строительных работ в Фонтенбло, а вместе с тем стал аббатом прихода Святого Мартина. Мастер завершил работы, которые начал еще совместно с Россо: в королевских апартаментах и павильоне Помоны, в покоях королевы и герцогини д’Этан, любовницы Франциска I. К сожалению, большинство фресок работы Приматиччо не сохранились до сегодняшнего времени; остались только гравюры, по которым работал художник, и каждый раз при взгляде на эти произведения поражает филигранность и необычайная изысканность живописной манеры Приматиччо. Достаточно хотя бы взглянуть на декор зала, расположенного над Большим Винтом – винтовой лестницей, его лепнину и фрески. Когда-то в этом зале жила герцогиня д’Этан. Здесь в натуральную величину мастер изобразил бюсты и маски, лиственные и фруктовые гирлянды. Длинноногие стройные девушки кажутся необыкновенно жизненными в своем бесконечном упоительном танце.

При этом каждая из этих фигур легко поддерживает свою ношу. Таковы грациозные кариатиды Приматиччо. Недаром король любил говорить, что «двор без женщин – все равно, что год без весны, а весна без роз»; потому и покои герцогини, о которой придворные говорили: «Она самая красивая среди умных и самая умная среди красивых», наполнены этой вечной весной и радостью жизни. Не менее искусно выполнены и фрески, изображающие Франциска I и Александра Македонского. Своему любимому Фонтенбло король отдал 19 лет жизни; здесь же он и встретил смерть 3 августа 1546 года, а его дело продолжил сын, новый король Генрих II. «Король умер, да здравствует король!»