På 1550-talet anlades en kungsgård i Norrköping. Denna s.k. avelsgård var centrum för ett storskaligt jordbruk och användes dessutom av hovet och kungliga gäster på resa genom landet. Troligen låg ”Norrköpingsgård” där Tyska torget nu ligger och mangårdsbyggnaden kan ha varit S:t Olai prästgård, som hade övertagits av staten 1555.
År 1580 besökte Johan III Norrköping och kanske var det då som planerna på att uppgradera kungsgården till slott tog form. Året därpå anslogs dagsverken och tullintäkter för uppförandet av ett ”hus” och arbetena inleddes. Diken grävdes, timmer höggs, en ruddamm och en trädgård anlades, smedja och bakugn byggdes, tegelbruket utökades. Kungen gav instruktioner till fogden Nils Grelsson att arbetet skulle bedrivas ”fluxt”, dvs. med största snabbhet.
År 1583 anställdes den nederländske byggmästaren Hans Fleming för att leda bygget. Fleming bodde under många år i Norrköping och var en av tidens ledande arkitekter. Kung Johan besökte det nya Norrköpingshus i september 1586 och då var åtminstone den kungliga våningen under tak. När han återvände nästföljande sommar pågick arbeten med stora portalen, målningsarbeten och kopparbeläggning av vissa tak. Kyrksalen blev klar 1588 och tre år senare murades slutligen den stora trappan utanför huvudentrén.
Det finns ingen bevarad avbildning av Norrköpingshus, men historikern Björn Helmfrid har gjort en beskrivning utifrån ”byggnadsräkenskapernas myller av detaljer”. Huvudbyggnaden var åtminstone till en del uppförd i korsvirke. Det fanns minst ett stort torn och ett litet. Det lilla tornet var kopparklätt, troligen också det stora. Taken var rikt utsmyckade med diverse förgyllda tornstänger och flöjlar. Den stora portalen var krönt av kungavapnet, uthugget i relief, målat och förgyllt.
Inne i slottet omnämns stora borgstugan, kungens sal med två förstugor och drottningens sal. Vid hovets besök var de prydda med väggbonader. Det fanns en valvförsedd kyrksal och en fängelselokal. Närmast under taken fanns ”små” våningar. Dörrar, paneler och väggar var dekorerade med en rik uppsättning färger. Byggnaden uppges ha haft 314 fönster.
Det är troligt att slottet omslöts av en vallgrav eftersom det ibland kallas ”befästningen” och att det fanns en vindbrygga mot staden. Det hade också en stor mängd trä- och korsvirkeshus, däribland ladugård, stall, kök, brygghus, bastu, smedjor, fogdestuga och skrivarstuga. I trädgården odlades frukt, grönsaker, örter och humle.
Norrköpingshus kom att bli administrativt centrum för den lokala förvaltningen, och flera av kronans befattningshavare avlönades och tjänstgjorde vid slottet, bland annat fogden, häradsskrivaren, brokikaren, utridaren och tullnären.
Besöken av furstar och stormän blev allt längre och tätare i Norrköping. Hertig Karl var en ofta sedd gäst och många utländska furstar och sändebud tog in på slottet. Den lokala adeln anordnade gärna bröllop och andra familjefester där.
Från 1594 fanns det till och med ett permanent furstehov. Gustav Vasas yngsta dotter, Elisabet, tilldelades Norrköpingshus sedan hon blivit änka vid 43 års ålder. Prinsessans ståndsmässiga hov bestod av fler än 60 tjänare, främst tyskar som hon tagit med sig från Mecklenburg: drabanter, lakejer, trumpetare, barberare, pärlstickare, väverskor och en dvärginna. Köksräkenskaperna visar att den musikintresserade Elisabet även höll sig med en instrumentalist och tre spelmän. Sedan hovet upplösts vid hennes död 1597 fanns bara cirka tio anställda kvar.
I februari 1604 hade hertig Karl sammankallat riksdagen till Norrköping och strax före sin avfärd från Linköping fick han besked om att Norrköpingshus totalförstörts i en brand. Räkenskaperna visar att det mesta av möbler och husgeråd hade kunnat räddas ur slottet.
Karl, som utsetts till kung av riksdagen, lät inte bygga upp Norrköpingshus igen utan medgav i stället fri tegeltäkt i ruinen. Ett femtiotal stadsbor, ett dussin bönder och några adelsmän passade på att förse sig med tegel. Tomten kallades därefter Stenhusbacken och donerades 1663 till stadens tyska församling som där uppförde Hedvigs kyrka.
Det blev Johan III:s son, hertig Johan av Östergötland, som skulle komma att anlägga ett nytt befäst slott strax utanför sin residensstad Norrköping. Johannisborg ritades också av Hans Fleming, arkiteten bakom Norrköpingshus.