Ange-Jacques Gabriel a aménagé dans l’attique un appartement pour Louis XV et une série de logements pour les seigneurs de sa suite. Cet appartement, composé d’une antichambre, d’une chambre et d’un cabinet d’angle, fut naturellement affecté à Louis XVI qui toutefois n’y dormit jamais. De ce fait, c’est probablement la sœur du Roi, Madame Elisabeth, qui occupa cet appartement.

Les salons qui suivent l’appartement du Roi sont des évocations des personnalités féminines ayant vécu au Petit Trianon. Les salles consacrées à Madame Elisabeth et à Madame Royale, fille de Louis XVI, sont meublées en partie avec du mobilier provenant de Trianon. Le cabinet et la chambre à coucher de l’impératrice Marie-Louise, réutilisés par la duchesse d’Orléans, ainsi que le boudoir de celle-ci, se trouvaient en réalité à l’étage noble, où a été privilégié le souvenir de la reine Marie-Antoinette. Les objets qui meublaient ces espaces au XIXe siècle ont en conséquence été transférés à l’attique.

L'antichambre du Roi
Cette pièce comprend un décor de boiseries de 1768 et une cheminée de marbre sarancolin de remploi, placée par l’architecte Ange-Jacques Gabriel à Trianon, et provenant vraisemblablement de l’hôtel de madame de Pompadour à Paris, l’actuel Palais de l’Elysée.

La chambre du Roi
La chambre est décorée de lambris et de tenture en lampas cramoisi de Lyon. Une cheminée de marbre griotte et bronzes dorés placée en 1836, provenant des petits appartements de Marie-Antoinette au château de Versailles, trône dans la pièce.

Le cabinet
C’est la seule pièce remeublée pour Louis XVI en 1777, le Roi ayant conservé le mobilier de son aïeul dans le reste de l’appartement. La cheminée est en marbre sarancolin.

Le petit Salon de Madame Elisabeth
Cette ancienne chambre à coucher, agrémentée d’une cheminée de marbre gris veiné, est consacrée à l’évocation de Madame Elisabeth, sœur de Louis XVI. Dans cette pièce et la suivante, les tentures reproduisent des toiles de la manufacture de Jouy des années 1780, évoquant celles commandées par le Garde-Meuble de la Reine.

Le petit Salon de Madame Royale
Cette ancienne chambre à coucher de suite, aux boiseries simplement moulurées et à la cheminée de pierre peinte en faux marbre gris, est consacrée à l’évocation de Marie-Thérèse-Charlotte, dite « Madame Royale », fille de Louis XVI et de Marie-Antoinette, qui a logé à l’étage d’Attique. Les tentures s’inspirent également des toiles de la manufacture de Jouy.

Le cabinet de toilette de l’impératrice Marie-Louise
L’ancien appartement de Marie-Antoinette au premier étage fut occupé brièvement au XIXe siècle par Pauline Borghèse, puis par l’impératrice Marie-Louise et enfin par la duchesse d’Orléans. Le mobilier fourni pour l’impératrice Marie-Louise fut en grande partie conservé par la duchesse d’Orléans et complété de sièges confortables et de petits meubles en palissandre incrustés de houx, selon les préceptes de la nouvelle mode. Dans le cabinet de toilette, le damas jaune restitué avait remplacé en 1837 la toile de Jouy « fond vert et médaillon » livrée en 1811.

La chambre à coucher de l’impératrice Marie-Louise
Les sièges réalisés par Marcion furent commandés pour l’impératrice Marie-Louise et recouverts pour la duchesse d’Orléans d’un cannetillé de soie bleu orné d’une bordure « bleue, jaune et bois », restitués en 2008, lors des grands travaux de restauration. La cheminée est en marbre campan composite.

Le boudoir de la duchesse d’Orléans
Les sièges, disposés sous l’Empire au Pavillon Français, furent recouverts pour la duchesse d’Orléans d’un lampas vert, restitué en 2006. La cheminée est en marbre gris et rose.

La salle Impératrice Eugénie
L’impératrice Eugénie (1826-1920) décida en 1867 qu’une exposition de meubles et objets du temps de Marie-Antoinette serait installée au Petit Trianon, à l’occasion de l’Exposition universelle de Paris. Cette salle rappelle le souhait de l’impératrice qui fit de ce château un musée dédié à la dernière Reine de l’Ancien Régime. La toile imprimée murale est une reproduction d’une toile utilisée à Trianon au XIXe siècle.