Kolejna faza rozbudowy zamku wiąże się z osobą wielkiego hetmana koronnego i kasztelana krakowskiego Jana Amora Tarnowskiego. Miała ona zapewne miejsce pomiędzy 1519 a 1528 rokiem. Przebudowano wówczas wnętrza zamku w stylu renesansowym. Cały zamek otoczono nowoczesnymi murowanymi i ziemnymi fortyfikacjami, stanowiącymi odpowiedź na zagrożenie agresją ze strony imperium osmańskiego. Z tych umocnień zachowały się najlepiej: tzw. "baszta północno - wschodnia", oraz potężna czworoboczna basteja zwana popularnie "arsenałem" o ścianach sięgających miejsca grubości 4 m. Stanowiła ona murowany nadszaniec potężnego szańca ziemnego broniącego zamku od południowego - wschodu. Zdaniem prof. J. Bogdanowskiego była to basteja tarasowa broniąca wjazdu do zamku. Wjeżdżający w obręb fortyfikacji musieli ją objechać, w wąskiej przestrzeni pomiędzy wałem, a jej murami, w których umieszczono 18 strzelnic dla broni palnej. Na najwyższej, trzeciej kondygnacji bastei, znajdował się prawdopodobnie taras dla artylerii. W narożniku "arsenału" znajdziemy klatkę schodową do kazamaty, jedynego zachowanego w całości pomieszczenia zamku. Już po ukończeniu fortyfikacji powiększono od wschodu część mieszkalną zamku wysokiego przez dobudowanie do średniowiecznego muru krótkiego dwudzielnego skrzydła o dwóch kondygnacjach, z mieszkaniem pańskim na górnej. Nie wiemy jednak, czy stało się to za czasów hetmana Jana Tarnowskiego, czy też księcia Konstantego, albo ich wnuka księcia Janusza. Były to czasy największej świetności zamku, rodowej siedziby hetmana wielkiego koronnego i kasztelana krakowskiego, którego dwór stanowił znaczący ośrodek kultury renesansowej. Zamek niejednokrotnie gościł najwybitniejsze postaci "złotego wieku" w Polsce, a także mieścił w swoich wnętrzach słynną bibliotekę. W 1528 r. Tarnowski oddał na prawie pół roku swój zamek na gościnę dla króla węgierskiego Jana Zapoly'i, który schronił się tutaj po klęskach doznanych od wojsk Ferdynanda Habsburga. Tutaj, na Zamku Tarnowskim król ofiarował Hieronimowi Łaskiemu żupaństwo spiskie, kilka miast i zamek niedzicki, w nagrodę za jego udaną misję dyplomatyczną u sułtana Sulimana Wspaniałego. W roku 1537 u hetmana goszczą król Zygmunt Stary i królowa Bona. W roku 1553 na Zamku Tarnowskim odbyły się uroczystości weselne pomiędzy córką hetmana Zofią a księciem Konstantym Wasylem Ostrogskim, wojewodą kijowskim, najbogatszym magnatem w Wielkim Księstwie Litewskim.