À la première orangerie, conçue par Le Vau succède la réalisation due à Mansart, probablement sur un dessin de le Nôtre, d'un projet grandiose élaboré dès 1678.

En 1683 le menuisier Tessier dresse les plans, l'entrepreneur Le Maistre se met au travail, secondé par le régiment Dauphin.

Par ses proportions cyclopéennes, la nouvelle orangerie double celle de Le Vau, avec sa voûte en berceau de 156 mètres de long encadrée des deux volées des Cent Marches. Des murs atteignant cinq mètres d'épaisseur assurent une température constante toute l'année aux orangers qu'elle abrite.

En novembre 1685, Louis XIV revenant d'une visite des réservoirs de Montbauron trouve les lieux "d'une magnificence admirable" et donne immédiatement l'ordre à ses graveurs d'en diffuser largement l'image.

Près d'un siècle plus tard l'architecte Blondel estime l'ouvrage "digne de la magnificence des romains, une des merveilles de l'Europe".