Il retrouve à la cour de France un autre italien, Rosso Fiorentino, arrivé en 1530 sur la recommandation de l’Arétin. Fontainebleau est alors un centre artistique en pleine effervescence. Sous la direction du Florentin, une vaste équipe d’artistes œuvre à la décoration de la galerie François Ier, tandis que Primatice est en charge de celle des appartements royaux. La mort soudaine de Rosso en 1540 laisse le champ libre pour trente ans à Primatice.
Primatice est un des maîtres incontestés de l'École de Fontainebleau, le premier à mettre en scène, la Cour. Il imagine fêtes et mascarades, multiplie les décors intérieurs (la Galerie Basse, l'Appartement des Bains, la Chambre de la duchesse d'Étampes, le Cabinet du Roi, etc.) mais aussi dans le jardin du Château (pavillon de Pomone, Fontaine d'Hercule, Grotte des Pins).
Le chantier de la Galerie d’Ulysse s’ouvre dans les années 1540 et se poursuit au delà de la mort de son concepteur, en 1570. Au cours de séjours réguliers en Italie, il fait venir des œuvres antiques ou leurs moulages et importe les dernières inventions du maniérisme italien. Sous le règne d’Henri II, les réalisations se multiplient dans le domaine de la sculpture funéraire (Tombeau des Guise, Urne du cœur de François Ier…) ; à Fontainebleau, il dirige Nicolò dell’Abate, dans la décoration de la Salle de Bal. Nommé Surintendant des Bâtiments, il consacre principalement ses dernières années au monument funéraire d’Henri II et à la Rotonde des Valois à Saint-Denis.
Peintre du Roi, à la fois dessinateur, sculpteur, architecte, Primatice fait évoluer l'art en introduisant en France le raffinement et le maniérisme italien, l'héroïsme épique (en référence permanente à la mythologie, dieux et héros) créant ainsi un style personnel, un style primaticien, dont l'influence va gagner toute l'Europe.