L'edificio si affaccia sull'omonima piazza e con la facciata laterale del Palazzo dell'Accademia delle Scienze e l'imponente retro della chiesa di San Filippo Neri crea un unicum architettonico di straordinario valore.

Il Guarini progettò uno splendido edificio che rappresenta una delle opere più importanti del Barocco piemontese, con una pianta ad U ed una singolare struttura architettonica: una torre ellittica è leggermente arretrata in facciata e due ali laterali si snodano per formare un cortile quadrato cinto completamente dal corpo di fabbrica.

Nella monumentale facciata principale l'ellisse è distinguibile poiché si fa spazio sinuosamente, rendendo un magnifico effetto, poiché la facciata alterna tratti concavi con parti convesse, in una configurazione forse riconducibile ai progetti di Gian Lorenzo Bernini per il palazzo del Louvre e al Castello di Vaux-le-Vicomte. Dal cortile interno invece il corpo ellittico spicca tra le ali laterali, superandole in altezza.

Il modello dell'edificio va ricercato anche all'Oratorio dei Filippini di Borromini, richiamato anche nell'uso del laterizio a vista. I mattoni perfettamente arrotati e stuccati con malta di polvere di cotto, diventano come materia plastica e modellabile. Le decorazioni della facciata del piano nobile, anch'esse in cotto, presentano rimandi ad avventure ed imprese dei Carignano, compresa la vittoria in Canada compiuta al fianco dei francesi nel 1667 contro i nativi Irochesi, con il reggimento Carignan-Salières. Il grande fregio decorativo presente sulla facciata principale recante la scritta QVI NACQVE VITTORIO EMANVELE II fu aggiunto nel 1884 da Carlo Ceppi, rispettando lo stile barocco a mattoni a vista.

Gli interni sono splendidamente affrescati e decorati a stucco. Alcuni affreschi sono di Stefano Legnani detto "il Legnanino".

Nel corso dei lavori di ampliamento eseguiti tra il 1864 e il 1871 fu costruita la facciata posteriore, in stile eclettico, con pietra bianca e stucco rosa arricchita da fastose lesene e colonne, porticato al piano terra e sormontata da una balaustra sulla sommità rialzata al centro. Essa era la facciata interna del palazzo all'epoca in cui fu residenza sabauda. Affacciato sul giardino interno, che oggi è Piazza Carlo Alberto, il palazzo si raccordava tramite mura di cinta all'antistante struttura delle scuderie, oggi sede della Biblioteca Nazionale.