E' un esempio di Casa Museo che ha conservato attraverso i secoli una struttura architettonica unitaria, ma anche arredi, quadri, archivi che testimoniano sia le vicende dei personaggi della famiglia, sia aspetti della storia, dell'arte, degli stili di vita delle varie epoche.

La facciata neoclassica, che si snoda lungo corso del Piazzo, è lunga ottanta metri e risale alla fine del XVIII secolo. Al suo rifacimento lavorarono l'architetto torinese Filippo Castelli e l'architetto biellese Rolando Lodovico Giacinto Gromo. Al centro spicca lo stemma dei marchesi La Marmora.

All'esterno del Palazzo, oltre il cortile, si apre un ampio giardino in stile rinascimentale al quale si accede attraversando la Serra, chiamata anche Giardino d'Inverno. La Serra presenta un porticato a doppie colonne, chiuso da alte vetrate e da una volta a botte, ed ospita un esemplare bicentenario di Ficus Repens, i cui rami decorano la parete e la volta. I giardini sorgono sulle fondamenta del castello del Vescovo di Vercelli Uguccione, risalente al XII secolo.

Molte sale interne mantengono le decorazioni originarie, tra cui si segnalano i dipinti di Gaudenzio Ferrari, che raffigurò gli antenati della famiglia. Degna di nota, oltre alle sale nobili del piano terreno, è la pregevole Sala dei castelli chiamata così per via delle decorazioni, risalenti all'inizio del XVII secolo, che raffigurano con fedeltà i possedimenti della famiglia; a completamento di questi affreschi si possono ammirare gli stemmi a ricordo delle unioni matrimoniali. La sala d'armi, sempre al pian terreno, presenta un tipico camino cinquecentesco. Al piano superiore si è conservata anche la Sala da Ballo, decorata da Giovannino Galliari con la collaborazione di suo padre Fabrizio.