תחילת הנוכחות המלכותית בורסאי החלה עוד בתקופתו של לואי ה-13 מלך צרפת, אשר בנה במקום בקתת צייד בשנת 1624.

בשנת 1660, לואי ה-14 חיפש מקום להתגורר בו מחוץ לפריז ההומה, אך העדיף מקום לא רחוק מהבירה. לואי ה-14 החליט להרחיב את הבקתה ולהפוך אותה לארמון. בשנת 1661 פנה לארכיטקט לואי לה וו שהרחיב את הטירה בין השנים 1661 - 1668. בשנת 1678 מונה ז'ול הארדוון מאנסאר על העבודות, ותחת פיקוחו נבנו הקפלה המלכותית. ב-6 במאי 1682 עבר לואי ה-14 להתגורר בטירה. עבודות הבנייה בטירה הושלמו בשנת 1688, ברשות לואי לה וו, מעצב הפנים שארל לה ברון ומתכנן הגנים אנדרה לה נוטרה (Andre Le Notre) וסגנון האמנות ששלט בארמון היה הבארוק, אך לא לאורך זמן.

בסוף המאה ה-17, על אף שלואי ה-14 היה חולה וזקן וקופתו הייתה ריקה כתוצאה מביזבוזיו הראוותנים להאדרת שמו וממלחמות, הוא החליט לשנות את סגנון הארמון ולחדשו. ארמון ורסאי סבל מדעיכה זמנית והאצולה שחויבה לגור בארמון וסביבתו התעייפה מאורח החיים הנוקשה והטקסי. ב-1698 זימן לואי את האדריכל שלו ז'ול הרדווי מנסאר (Jules Hardouin Mansart) ובפנים זועפות אמר לו שהעיצוב שהכין לגן החיות בוורסאי (Menagerie) לא לרוחו "הנושאים רציניים מידי...צריכה להיות רוח נעורים בעיצובים האלה". הרצון לשינוי גרם לו למנות ב-1699 את החרט פייר לפאטור (Pierre Lepautre) לתפקיד של צייר המבנים המלכותי (Dessinateur des Batiments Du Roi). באותה שנה ביקש לואי ה-14 מלאפטור לעצב דקורציה לחדרים בגן החיות (Chateau de la Menagerie) במרלי, ולאפטור תכנן את עיצוב הפנים של מספר חדרים. המלך התרשם ושכר את לאפטור לחדש את ארמון ורסאי ולהפוך אותו לפאר היצירה של סגנון הרוקוקו.

תוספות לארמון ורסאי נבנו מאוחר יותר: לואי ה-14 הורה על בניית הטריאנון הגדול, בית אחוזה נפרד לו ולפילגשיו, לואי ה-15 הורה על בניית הטריאנון הקטן, שאף הוא שימש אחוזה לפילגש המלך, והתוספת האחרונה נעשתה על ידי לואי ה-16, שהוסיף בגני ורסאי מספר בתים כפריים קטנים, הידועים בשם "הכפר הקטן" או "כפר המלכה" (Petit hameau), ששימשו את מארי אנטואנט ליצירת חיי כפר שלווים עבורה ועבור פמלייתה לצד ארמון ורסאי המפואר.