La fortification en pierre, souvent un donjon entouré de remparts, ne correspond pas à une étape de l'histoire des châteaux-forts. Autrement dit, les châteaux en pierre n'ont pas succédé aux châteaux en terre et bois. Le choix du matériau dépendait surtout des moyens du commanditaire.
Les premiers grands donjons à base rectangulaire en pierre apparaissent dans la vallée de la Loire (Langeais, fin du Xe siècle). On attribue traditionnellement un rôle pionnier au comte d'Anjou, Foulque Nerra (987-1040). Les donjons sont adoptés en Normandie puis en Angleterre et en Allemagne au cours du XIe siècle. Celui de Loches mesure 37 mètres de haut.
Dans l'empire, en Italie et en France du sud, de petites tours de trois ou quatre étages pouvaient se dresser seules et servir de refuge ou de poste de guet. Elles n'étaient pas protégées par une muraille.
L'apogée du château fort proprement dit est le XIIe siècle. On le désigne parfois sous l'expression « château roman ». À partir de 1150, les techniques castrales s’adaptent aux progrès de la poliorcétique.
Les murailles deviennent plus hautes et plus épaisses (Douvres vers 1180 : jusqu’à 7 mètres d’épaisseur pour le donjon) pour résister aux tirs des armes de sièges (trébuchets, puis mangoneaux). Les châteaux adoptent un plan plus « ramassé », plus « tassé » afin de réduire la surface à défendre.
La courtine se dote de tours de flanquement à partir de 1160 ; elles sont d'abord rectangulaires, semi-circulaires et enfin circulaires. Elles sont de plus en plus nombreuses et rapprochées. Les tours circulaires résistent mieux aux mangonneaux et ne laissent aucun angle de tir mort. Elles nécessitent moins de pierre pour leur construction. Elles étaient souvent surmontées d'échauguettes ou coiffées de toits coniques. Le donjon voit par conséquent sa fonction de défense se réduire. Mais il demeure le symbole du pouvoir seigneurial. Il disparaît dans certains cas (Carcassonne). Les bâtiments de la basse-cour se regroupent contre la muraille.
Le donjon circulaire (comme au Louvre ou au Château de Rouen construits sous Philippe Auguste), devient la règle générale après 1150. Le seigneur et sa famille ont tendance à habiter dans un Logis seigneurial plus confortable situé contre l'intérieur de l'enceinte.
Les meurtrières apparaissent à la fin du XIIe siècle pour faciliter le tir à l'arbalète.
Grâce à la fortune des princes, les constructeurs utilisent de plus en plus la pierre. Cependant, le bois est toujours utilisé pour les défenses annexes : barbacanes, lices, bretèches, hourds…
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