Le Louvre prévu par François Ier s’avère vite trop petit et, après que le palais des Tuileries ait été commencé par Catherine de Médicis en 1564, on envisage sous Henri IV la réalisation d’un grand dessein qui prévoit l’agrandissement du Louvre et la construction de cours et de bâtiments reliant les deux palais.

Le Pavillon Sully, et l’aile Lemercier qui le prolonge vers le nord, sont la concrétisation de ce grand projet dont la réalisation commence dans les dernières années du XVIe siècle.

En 1624, quatorze ans après la mort de son père Henri IV, Louis XIII ordonne la démolition d’une partie de l’aile nord du vieux Louvre médiéval; il la remplace par un nouveau pavillon prolongé d’un corps de bâtiment. L’architecte Jacques Lemercier est chargé de la nouvelle construction, et l’aile qui forme le symétrique de l’aile Lescot porte aujourd’hui encore son nom!

Le Pavillon Sully, autrefois nommé Pavillon de l’Horloge, est un ouvrage important qui sert visuellement de point central à la vaste cour du palais. Lemercier imagine une structure élevée coiffée d'un dôme monumental de forme quadrangulaire encadré de hautes cheminées. Pour les trois niveaux inférieurs des façades, l’architecte reprend les structures de l’aile Lescot (ouvertures, décor) afin de créer un lien entre parties anciennes et nouvelles ; pour le niveau supérieur, il imagine trois grandes ouvertures cintrées dont celle du milieu devait être occupée par une grande figure allégorique de la royauté française. La monumentalité et l’élégance du nouveau pavillon font qu’il servira par la suite de référence pour la plupart des autres pavillons du Louvre.

Lemercier s’associe, pour le décor sculpté, avec Jacques Sarazin qui conçoit les grandes figures de cariatides encadrant les fenêtres supérieures. Elles aussi seront copiées sous Napoléon III.

Pendant plusieurs décennies, au début du XIXe siècle, le Pavillon Sully sera doté d’un étrange couronnement: une potence de bois complétée de bras mouvants constituait l’une des stations du télégraphe Chappe, un système de communication visuel inventé en 1794 dont les Tuileries, siège du pouvoir politique, sont le point de départ.

Alors que le Pavillon Sully est en cours d’achèvement, Louis XIII ordonne la construction de l’aile qui en forme le prolongement vers le nord. Elle est l’exact symétrique de l’aile Lescot qu’elle copie totalement. Les travaux de cette zone traînent en longueur et le gros œuvre n’est terminé que vers 1640. Le décor ne sera posé qu’au début du XIXe siècle et s’inspire directement de celui imaginé par Jean Goujon pour l’aile Lescot. Les espaces intérieurs ne sont partiellement achevés que sous Louis XIV et il faudra attendre la première moitié du XIXe siècle pour que cette partie du Louvre soit véritablement terminée.