Le donjon circulaire du château de Châtillon-Coligny est l'un des rares témoins de l'architecture militaire du 12e siècle. Son plan, particulièrement raffiné, passe de la forme circulaire à une forme polygonale à seize pans renforcés de pilastres aux arêtes. Un chemin de ronde intérieur court autour de cette structure défensive.

Du château du 17e siècle, seule subsiste l'aile gauche, partiellement remaniée, avec des accès conservés menant à la terrasse supérieure. Entre les deux ailes s'élève l'orangerie, constituée d'une longue galerie du 18e siècle élégamment voûtée en arêtes de moellons et briques, et percée de verrières.

La grande terrasse est ornée du puits dit de « Jean Goujon », petit édifice du 16e siècle surmonté d'une coupole. Cet ensemble aurait été réalisé à la demande de l'amiral de Coligny, qui séjourna à Châtillon-Coligny en 1550, 1554 et 1563.