A la fin du XIVème siècle, la venue à Châtel de l’ambitieuse maison de Neufchâtel aux moyens financiers puissants, va donner au château une extension considérable et le transformer en une redoutable forteresse, car c’est aussi l’époque de l’extension des Pays Bourguignons vers le Nord et de la révolution technique de l’artillerie. Les renseignements donnés par les Archives, ceux issus des 72 000 pages de Comptes de la seigneurie qui se succèdent de 1430 à 1671, avec quelques manques dans les premières années, permettent, par l’examen des dépenses de travaux, de compléter les renseignements de terrain.
Dès avant 1430, Thiébaut VIII englobe au Nord dans le château la totalité du village primitif pour y implanter des grands bâtiments de stockage de provisions.
Il les entoure d’une grande enceinte d’allure encore médiévale, épaissit les murs jusqu’à quatre mètres et dote la muraille de cinq énormes tours de diamètres de 14 à 18 mètres qui se flanquent mutuellement. Cette construction est réalisée de façon pragmatique en adaptant la largeur des murs au danger estimé, les épaisseurs allant de 2.20 mètres de coté de la ville à 4 mètres face au plateau. Il en est de même pour les tours dont la face exposée au tir ennemi est renforcée. Il épaissit aussi les murailles de la ville, érigées au 13ème siècle, et en adapte les tours à l’artillerie.
Lui ou son fils transforment les deux portes de la ville (celles d’En Haut et celle d’En Bas) en d’importants ouvrages fortifiés par l’adjonction de deux portes supplémentaires et de tours de flanquement, ce qui amène à déplacer le pont sur la Moselle plus à l’Ouest ainsi que le témoignent les grands pieux de bois encore en place.
Mais très au fait par ses hautes fonctions de l’évolution de l’armement, Thiébaut VIII commence dès 1443 l’adaptation de la défense à la toute nouvelle artillerie à boulets métalliques. A l’Ouest, du coté de la ville, il implante en contrebas du rocher, et adossée à celui-ci, une seconde porterie, dotée d’un pont levis à flèches, flanqué de deux tours, et suivi d’un pont gisant et d’une porte, protégés par un épais mur boulevard à angle aigu, formant une barbacane.
Et du coté nord, il commence, en contrebas de la haute muraille, la construction d’une nouvelle ligne de rempart, adossée au rocher, et donc en position de défilement par rapport au plateau; il épaule cette seconde enceinte de cinq tours de flanquement, elles aussi en position de défilement par rapport au plateau. Cette savante conception de la fortification, très novatrice pour cette époque, fait de Châtel une redoutable forteresse, inviolée jusqu’à la terrible guerre de Trente Ans deus siècles plus tard.