L’hôtel était dans toute sa fraîcheur, à peine sorti des mains des sculpteurs, lorsqu’en 1515, la jeune femme de Louis XII, Marie d’Angleterre, sœur d’Henri VIII, devenue veuve après deux mois de mariage, vint l’habiter. La couronne de François Iᵉʳ ne tenait alors qu’à peu de chose, à un héritier posthume qui pouvait survenir du feu roi. Aussi le Valois qui tenait à cette couronne faisait-il surveiller étroitement l’hôtel, et non sans raison, car, suivant la chronique, François vint y surprendre un jour un consolateur de la jeune reine, le duc de Suffolk, ambassadeur d’Angleterre, de qui les assiduités avaient été signalées.
Et sur l’heure le roi, feignant une grande indignation, força Suffolk à épouser Marie dans la chapelle de l’hôtel, après quoi François se chargea d’obtenir le consentement d’Henri VIII au mariage effectué, expédia en Angleterre, avec tous les honneurs possibles, la reine Marie et son nouvel époux, et enfin dégagé de ce souci put s’occuper de son sacre.
L’hôtel, une vingtaine d’années après, fut encore résidence royale. François Iᵉʳ y logea Jacques V, roi d’Écosse, qui le 1ᵉʳ janvier 1536 y épousa Madeleine de France, fille du roi.
Le cardinal de Guise, Charles de Lorraine, étant abbé de Cluny, occupa l’hôtel. En 1565, il lui arriva son aventure fameuse avec le maréchal de Montmorency son ennemi, alors gouverneur de Paris. Le cardinal, revenant du concile de Trente, voulait faire dans Paris son entrée solennelle à la tête de ses abbés et de ses gentilshommes et entouré de toute sa maison en armes, ainsi qu’il avait fait à Saint-Denis. Le maréchal de Montmorency, prévenu de son intention, lui envoya une défense formelle d’entrer avec cet appareil militaire et sur une réponse hautaine du cardinal, il prit ses mesures pour le faire repentir de son orgueilleuse prétention. Les archers du prévôt de Paris se trouvèrent à la porte Saint-Denis quand se présenta le cortège et sommèrent au nom du roi le cardinal de laisser son appareil trop militaire. Le cardinal ne fit que rire de la défense, dispersa les archers et passa outre.
Montmorency, qui s’y attendait, avait fait monter ses gentilshommes à cheval, et se précipita fortement accompagné à la rencontre de son ennemi. Le cortège cardinalice descendait la rue Saint-Denis et se trouvait devant les Innocents, lorsque déboucha la troupe de Montmorency chargeant aussitôt à outrance.
En peu d’instants la troupe du cardinal fut culbutée et dispersée, quelques-uns qui voulurent résister furent tués, leurs mules cherchaient pleines d’émoi refuge dans les boutiques. Le cardinal pouvait tout appréhender de Montmorency, mais il put se jeter dans une maison de la rue Trousse-Vache et chercher une cachette en un galetas, sous le lit d’une servante, d’où il ne se hasarda à sortir que le soir pour gagner l’hôtel de Cluny. Les Parisiens, futurs ligueurs et guisards, ne firent que rire de la mésaventure.
En 1584, l’hôtel des abbés de Cluny abrita un théâtre, une troupe de comédiens donna quelque temps des représentations fort suivies; ils avaient plus de spectateurs, dit l’Estoile, que les quatre meilleurs prédicateurs de Paris tous ensemble quand ils prêchaient. Un arrêt du parlement expulsa les comédiens.
Au commencement du XVIIᵉ siècle l’hôtel de Cluny devint la résidence des nonces du Pape. Le cardinal Mazarini vint l’habiter en cette qualité en 1634.
A partir du XVIIIᵉ siècle l’hôtel de Cluny entre pour cent ans dans une période moins brillante. L’illustre maison, abandonnée par les abbés, glisse peu à peu à des affectations désastreuses pour ses beautés architecturales. Elle est louée par parties à des industries diverses; il y a des libraires, des imprimeurs, des relieurs et des procureurs dans la maison. La belle tour octogonale sert d’observatoire; de 1750 à 1817 les astronomes Delisle, Lalande et Messier s’y succèdent.
Devenu bien national à la Révolution, l’hôtel fut vendu à un particulier; un instant la superbe chapelle courut le risque d’être cédée à un Anglais pour être réédifiée en Angleterre, heureusement le propriétaire repoussa les propositions, pour conserver à Paris la merveille alors dédaignée par Paris. L’hôtel continua ensuite à être loué en magasins et appartements; c’est ainsi que M. Du Sommerard, le célèbre antiquaire, y installa sa précieuse collection, noyau du musée actuel, laquelle resta dans l’hôtel qu’enfin l’État consentit à racheter, après une longue et laborieuse campagne de MM. A. Lenoir et Vitet, syndiquant les efforts de tous les amis de l’art et de l’histoire.