Un nouveau marché passé le 27 mai 1658, alors que le pavillon du Roi est en cours d'achèvement, prévoit des travaux considérables. Il s'agit d'abord de la construction du pavillon de la Reine, qui devra être élevé au niveau du premier étage au plus tard le 31 mai de l'année 1660. Il est alors aussi décidé la création, entre les deux pavillons du Roi et de la Reine, de la cour royale limitée au nord par la construction d'un portique, au sud par la courtine refaite et décorée en son centre d'un arc de triomphe aménagé grâce à l'arasement et au remaniement de la tour du Bois.
Au centre, la création, entre le donjon et la Sainte-Chapelle, de la cour du gouvernement limitée au nord par deux pavillons reliés par une grille, modifie considérablement l'utilisation de l'espace. La partie nord de l'enceinte est tout autant remaniée. Les travaux de Le Vau altèrent ici profondément des bâtiments pré-existants.
Les travaux engagés en 1658 font de Vincennes une résidence royale capable, par l'ampleur de ses communs, d'accueillir la cour. Un jardin classique – avec une orangerie, des kiosques, une glacière... – est aménagé dans le Petit-Parc à l'ouest du château, tandis que des travaux de grande ampleur sont réalisés pendant plus d'une décennie à la clôture du Bois, dont la surface est considérablement agrandie. Le système d'approvisionnement en eau du château est entièrement refait. Une grande chaussée, ancêtre de l'actuelle avenue de Paris, est tracée par Le Vau en 1660 entre la place du Trône, notre actuelle place de la Nation, et la tourelle de Saint-Mandé qui marque l'angle nord-ouest du mur de clôture du Bois depuis la fin du XIVe siècle.

Dans le pavillon du Roi, au premier étage et du côté du Petit-Parc, c'est-à-dire vers l'ouest, se trouvent alors cinq pièces qui forment l'appartement du roi, celui de la reine donnant sur la cour royale, vers l'est, ceux du dauphin et de la dauphine étant au nord. Le pavillon de la Reine abrite la reine-mère Anne d'Autriche ainsi que l'appartement de Monsieur, frère du roi, et de Madame.

Autour de Le Vau, les décorateurs qui ont, pour certains d'entre eux, travaillé auparavant pour Fouquet à Vaux-le-Vicomte, font des deux pavillons du Roi et de la Reine un modèle de décoration pré-classique. Philippe de Champaigne est chargé de la direction des travaux ; il est assisté de son neveu Jean-Baptiste de Champaigne, du Flamand Manchole, de l'Italien Borzone, des Français Baptiste, Sève et Michel Dorigny, gendre du peintre Simon Vouet. Ces travaux de décoration sont exécutés très vite. Le roi indique lui-même aux artistes certains des thèmes à traiter, comme la paix des Pyrénées et son mariage avec l'infante d'Espagne Marie-Thérèse.
Le tout est achevé vers 1658 pour le pavillon du Roi, en 1660 pour le pavillon de la Reine, juste à temps pour accueillir le roi et sa femme après leur mariage célébré à Saint-Jean-de-Luz le 9 juin 1660. Ils arrivent à Vincennes avec la cour le 19 juin et y séjournent jusqu'à leur entrée triomphale à Paris le jeudi 26 août. L'importance des destructions postérieures fait qu'il est difficile de se rendre compte précisément de ce qu'étaient ces décors, sinon en examinant des réalisations contemporaines, à Vaux-le-Vicomte, dans la galerie d'Apollon du Louvre – où les travaux sont entrepris par Le Vau et Lebrun à partir de 1661 –, au collège des Quatre-Nations où ils travaillent à partir de 1662, enfin dans certaines parties de Versailles où ils sont à l'œuvre à partir de 1668.

La présence de la cour à Vincennes a pour conséquence l'organisation de grandes cérémonies ou de spectacles. En 1659, quand la cour vient s'installer au château, on y joue pour la première fois un opéra écrit et mis en musique par des Français – Pierre Perrin, dit l'abbé Perrin, librettiste, Robert Cambert, organiste : la Pastorale d'Issy crée le genre qu'illustrera ensuite Lully. À l'occasion de l'été 1660, divers spectacles sont joués. Le 11 mars 1661 est aménagée dans le chœur de la Sainte-Chapelle une chapelle ardente pour la dépouille de Mazarin, mort dans le château. Le corps du cardinal demeure dans cette chapelle jusqu'à son transfert, en 1684, au collège des Quatre-Nations à Paris.