Les appartements des filles de Louis XV se situent au nord du corps central, occupant un emplacement symétrique à celui des appartements du Dauphin et de la Dauphine au sud. Transformés en salles de musée par Louis-Philippe, ils ont ultérieurement été restitués dans leur état d’appartements princiers. Les filles de Louis XV, appelées Mesdames de France, ont pris possession de ces espaces à partir de 1752. Toutefois, seules deux d’entre elles, Adélaïde et Victoire, les ont habitées jusqu’à la Révolution.
L’histoire de cet ensemble est complexe en raison des changements d’affectations et de distributions au fil des époques. Louis XIV avait fait aménager le splendide appartement des Bains, situé aujourd’hui dans la partie de l’enfilade occupée par l’appartement de Madame Victoire. Cet appartement comprenait cinq pièces, dont un grand vestibule à colonnes, la salle de Diane ou Pièce ionique, le salon octogone, une chambre des bains et un cabinet des bains. Les appartements des filles de Louis XV ont fait l’objet d’une vaste campagne de restauration et de remeublement, débutée dans les années 1980 et achevée en 2013. Ils sont maintenant accessibles en visite libre.
La première antichambre de Madame Victoire, autrefois le cabinet des bains de Louis XIV, a également une histoire riche. Elle a été le cabinet intérieur du comte de Toulouse de 1692 à 1724, de la comtesse de Toulouse de 1724 à 1750, et enfin de Madame Adélaïde de 1752 à 1753. Transformée en chambre de Madame Sophie de 1755 à 1767, elle est devenue la première antichambre de cette princesse en 1769, puis celle de Madame Victoire.
Au-dessus des portes de cette pièce sont placés les portraits de deux ministres de Louis XV : le duc de Choiseul-Stainville par Louis-Michel Van Loo, et le duc de Choiseul-Praslin par Alexandre Roslin. La commode en vernis Martin, livrée en 1756, était destinée à Madame Adélaïde.
La seconde antichambre de Madame Victoire, autrefois la chambre des bains, était revêtue de marbre au sol et sur les murs. Dans une alcôve encadrée de colonnes de marbre, un lit de repos était installé. Les volets intérieurs, ornés de décors de dauphins et de congélations, sont les seuls vestiges de cette pièce qui a ensuite servi de chambre au comte de Toulouse, à la comtesse de Toulouse, à Madame Adélaïde, et enfin à Madame Victoire, lorsque cette dernière partageait l’appartement avec ses sœurs Sophie et Louise. En 1767, l’alcôve a été supprimée, transformant la pièce en seconde antichambre du nouvel appartement de Madame Victoire.
Les boiseries ont probablement été conçues pour Madame Victoire. Les tableaux des dessus-de-portes, illustrant des Fables de La Fontaine, ont été peints par Oudry pour le Dauphin. La commode de Riesener provient de la pièce des Nobles de la comtesse d’Artois dans l’aile du Midi. Un paravent de la Savonnerie d’après Blain de Fontenay et un cartel « au Chinois » en vernis Martin complètent l’ameublement.
Le grand cabinet de Madame Victoire, initialement le cabinet octogone de l’appartement des Bains de Louis XIV, a été l’une des créations les plus originales du Roi-Soleil. En 1763, Mesdames ont obtenu le remplacement du décor jugé démodé. La corniche, les boiseries aux angles et la belle cheminée témoignent de cette transformation. Deux clavecins, signés de Rückers et de Blanchet, rappellent que Madame Victoire jouait admirablement de cet instrument, et que Mozart lui dédia deux sonates pour clavecin et violon.
La chambre de Madame Victoire était à l’origine l’antichambre ionique de l’appartement des Bains, nommée ainsi en raison des douze colonnes de marbre qui la décoraient. Transformée en seconde antichambre du comte de Toulouse, puis de la comtesse de Toulouse, de Madame Adélaïde et enfin de Mesdames cadettes, elle est devenue en 1767 la chambre de Madame Sophie, puis en 1769 celle de Madame Victoire. Les belles boiseries sont l’œuvre d’Antoine Rousseau, et la tenture d’alcôve en taffetas chiné reproduit le « meuble d’été » de Madame Victoire. En 1769, Péridiez livra les deux encoignures, qui furent vendues à la Révolution, passèrent en Russie puis en Angleterre, où elles ont été rachetées en 1982.
Le cabinet intérieur de Madame Victoire, une élégante petite pièce, faisait à l’origine partie du vestibule dorique de l’appartement des Bains. Cloisonné dès 1724 pour constituer deux antichambres pour le comte et la comtesse de Toulouse, l’antichambre de cette dernière a été divisée en 1767 pour former ce petit salon et la bibliothèque suivante. Antoine Rousseau a conçu les boiseries admirables, dont certains éléments ont été remis en place, ainsi que la cheminée en sérancolin. La commode, livrée en 1768 par Foullet pour l’appartement de Madame Victoire, supporte une coupe d’albâtre ayant appartenu à la princesse. La table à écrire a été exécutée par Levasseur pour Mesdames au château de Bellevue.
La bibliothèque de Madame Victoire était initialement une partie de l’appartement suivant, puis elle a été rattachée à celui-ci. Cette pièce est entresolée, avec un supplément de bibliothèque dans l’entresol. Les armoires contiennent des livres reliés aux armes de Mesdames, provenant de leur bibliothèque de Versailles ou de celle du château de Bellevue. On y trouve également un coffret renfermant une collection de cartes de géographie ayant appartenu à Madame Élisabeth, nièce de Mesdames, des éléments d’un service à café en porcelaine de Sèvres à décor chinois livré en 1775 pour Madame Adélaïde, ainsi qu’une sonnette de table en vermeil aux initiales et aux armes de Madame Victoire.
Le petit bureau à pente a été livré pour Madame Sophie ou Madame Louise en 1760, à leur retour de l’abbaye de Fontevraud. Les chaises faisaient partie du mobilier de Madame Victoire au château de Bellevue.
Le cabinet intérieur de Madame Adélaïde, célèbre en son temps comme le cabinet de laque rouge de Madame de Pompadour, fut occupé par cette dernière après son association avec le roi en 1750. La pièce, aménagée avec un mobilier raffiné et des souvenirs du château de Bellevue, évoque aujourd’hui cette princesse qui, selon la comtesse de Boigne, « avait un besoin extrême des recherches inventées par le luxe. »
La chambre de Madame Adélaïde, autrefois la chambre à coucher du comte de Toulouse, du duc de Penthièvre, et de la duchesse de Penthièvre, devint également la chambre de la marquise de Pompadour jusqu’à sa mort en 1764. Elle fut ensuite destinée à Marie-Josèphe de Saxe, mais cette dernière décéda en 1767 avant de pouvoir s’y installer. La chambre servit ensuite de chambre de Madame Victoire de 1767 à 1769, puis de celle de Madame Adélaïde de 1769 à 1789. Les boiseries, probablement exécutées pour la Dauphine en 1766, présentent des bordures de dessus-de-portes provenant probablement de la chambre de Mme de Pompadour. La tenture de l’alcôve évoque le « meuble d’été » de Madame Adélaïde, et des portraits de Louis XV, Mesdames Sophie et Louise ornent la pièce.
Le grand cabinet de Madame Adélaïde a été façonné par Madame de Pompadour, avec une cheminée en sérancolin posée pour elle. Bien que les riches boiseries aient disparu, la corniche faite pour Madame Adélaïde a été rétablie. L’orgue installé dans la niche a été placé pour évoquer l’attrait musical des enfants de Louis XV. Des portraits des sœurs aînées de Madame Adélaïde par Nattier, ainsi que des portraits de Mesdames Victoire, Sophie et Louise par Drouais, sont visibles dans la pièce. Un buste de Madame Élisabeth, sœur de Louis XVI et nièce de Madame Adélaïde, orne la cheminée.