Дворец Бельведер представляет собой двухэтажное здание прямоугольной формы на массивном основании из монолитных блоков розового гранита.

Парадный фасад располагается с восточной стороны и построен в виде портика — крытой галереи с четырьмя колоннами-кариатидами, выполненными скульптором Александром Теребеневым из серого с сиреневым оттенком сердобольского гранита. К главному входу ведет широкая двухмаршевая гранитная парадная лестница, которая была украшена двумя вазами и шестью мраморными скульптурами.

С западной стороны также имеется вход, оформленный небольшим гранитным крыльцом и четырьмя постаментами из красного гранита.

На цокольном этаже установлены 28 серебристо-серого цвета гранитных колонн с ионическими капителями из каррарского мрамора, поддерживающих крышу и окружающих со всех сторон второй этаж. Проёмы между колоннами закрыты невысокой ажурной чугунной решеткой.

С галереи открывается чудесный вид на Луговой парк и Финский залив, Кронштадт и Санкт-Петербург.

Полы крылец и колоннады павильона выложены мозаикой.

Первый этаж дворца Бельведера выполнен в виде подиума с высокими окнами. Фасад оштукатурен в форме узоров из широких и узких рустов (каменных выступов). Углы стен украшены пилястрами (лепными украшениями) с коринфскими терракотовыми капителями.

На первом этаже расположен Большой мраморный зал, а также кабинеты императора и императрицы, камер-юнкерская и лакейская.

Особенно пышно оформлен Большой зал: в нем установлено десять колонн из каррарского мрамора, стены украшены лепкой и росписью. В центре зала пол выложен античной мозаикой, привезенной в XVIII веке из Италии с острова Капри.

С большой вероятностью, можно утверждать, что эта мозаика находилась на вилле Юпитера, принадлежавшей императору Тиберию. Николай I приобрел мозаику для Малого Эрмитажа, но, по просьбе Андрея Штакеншнейдера, она была использована для дворца Бельведер.

Ажурная чугунная лестница ведет на второй этаж, где расположен зал с выходом на террасу, также украшенную декоративными вазами.

Мебель для павильона также была выполнена в едином греческом стиле.

Знаменитый скульптор Петр Карлович Клодт в 1856 году создал две гальванопластические группы «Укротителей коней», копии тех, что установлены на Аничковом мосту в Санкт-Петербурге. Здесь они располагались на высоких постаментах по сторонам здания, но к сожалению, были похищены в годы Великой Отечественной войны.