Louis de Bourbon, premier duc de Bourbon, fils de Béatrice de Bourgogne et de Robert de Clermont et petit-fils de saint Louis, entreprend, à la suite des travaux déjà réalisés par son père, d'agrandir à nouveau sa forteresse. Il fait édifier une chapelle en 1310, placée sous le vocable de Notre-Dame, pour abriter les saintes reliques apportées par Robert de Clermont à Bourbon pour son épouse. Non loin de Bourbon, Louis I fait construire un donjon sur l'Allier, à proximité d'Yzeure (seigneurie importante en Autunois), à Moulins. Louis II en fera sa capitale. Neuf ducs se succèdent : Louis Ier, Pierre Ier, Louis II, Jean Ier, Charles Ier, Jean II, Charles II, Pierre II et Charles III. Jean II commandita la construction d'une seconde chapelle palatine, consacrée à saint Louis, qui reprendra les plans et le style de la Sainte Chapelle de Paris. Le dernier duc, très riche et puissant, fut nommé connétable de France à la suite de la victoire de Marignan. L'affaire de la "trahison" du connétable Charles de Bourbon se mêle aux revendications de Louise de Savoie, Bourbon par sa mère Marguerite, et aboutit au rattachement du duché de Bourbonnais, considéré comme fief mouvant de la couronne depuis Louis II (beau-frère de Charles V), au domaine royal en 1531.