Ludwikowi XIII tak bardzo spodobały się okolice Wersalu, że postanowił powiększyć i upiększyć swój zameczek. Prace rozpoczęto w 1631 r., a zakończono w 1634 pod kierownictwem architekta Philiberta le Roy. Pałac remontowano stopniowo, tak by można było z niego cały czas korzystać, został rozebrany i zbudowany na nowo. Pomimo że w zasadzie wciąż oparty był na tym samym planie, to jednak wyraźnie się powiększył. Dodano m.in. sześć wież prostokątnych (tour carré). Fasada uzyskała styl typowy dla okresu panowania Ludwika XIII, tzn. zastosowano jasny kamień i cegłę. Ponadto na 70 hektarach przylegających gruntów urządzono park. 8 kwietnia 1632 król zakupił tereny domeny wersalskiej od Jean-François de Gondi, arcybiskupa Paryża, za 60 tys. liwrów. Ogółem projekt kosztował Ludwika XIII niecałe 200 tys. liwrów, co nie było sumą wygórowaną: późniejsza rozbudowa przez Ludwika XIV była 500 razy bardziej kosztowna.
Pierwsze modyfikacje Ludwika XIV Ludwik XIV przybył do pałacu po raz pierwszy 18 kwietnia 1651, kiedy miał dwanaście lat. Zameczek myśliwski ojca natychmiast przypadł mu do gustu. W Wersalu korzystał z natury i swobody, urządzał swoje pierwsze polowania.