On pénètre dans la chapelle à partir de la salle des Gardes, par une porte en chêne surmontée d'une statue de la Vierge. Ses vantaux représentent quant à eux le Christ et Saint Thomas et reprennent les paroles de l'Évangile selon Saint Jean : « Avance ton doigt ici », « Tu es mon Seigneur et mon Dieu ».

Mme Pelouze fit ouvrir les fenêtres couplées qui furent munies de verrières d'après les dessins d'un certain Steinheil7. Les vitraux détruits en 1944, ont été remplacés par des œuvres de Max Ingrand en 1954. On voit dans la loggia de droite, une Vierge à l'Enfant en marbre de Carrare par Mino da Fiesole. À droite de l'autel, une crédence ouvragée ornée de la devise des Bohier.

En 1890 le céramiste tourangeau Édouard Avisseau (1831-1911) réalisa pour le château un bas-relief La Vierge aux poissons35.
Au mur, des peintures religieuses : La Vierge au voile bleu par Il Sassoferrato, Jésus prêchant devant Alfonso et Isabella par Alonzo Cano, un Saint-Antoine de Padoue par Murillo, et une Assomption par Jean Jouvenet. L'historien Robert Ranjard précise6 : « L'oratoire conserve, gravées dans la pierre de ses murs, des sentences écrites en vieil écossais […] mystérieux graffitis laissés par des hôtes inconnus au temps de Diane de Poitiers ». En entrant à droite, une sentence datée de 1543 : « La colère de l'Homme n'accomplit pas la justice de Dieu », et une autre de 1546 : « Ne soyez pas vaincus par le Mal ».
Dominant la nef, une tribune royale donnant sur « la chambre des Cinq Reines », au premier étage, datant de 1521.
Cette chapelle fut sauvegardée pendant la Révolution, Madame Dupin ayant eu l'idée d'en faire une réserve de bois de chauffage.