Китайский дворец стоит на невысоком выступающем стилобате, который образует своеобразную террасу. Она облицована пудостским камнем и гранитом. С запада и востока к жилым помещениям, расположенных в ризалитах, примыкают партерные садики. Они ограждены ажурными металлическими решётками.
Дворец протянулся по оси запад — восток и в плане представляет собой букву П. Его фасады имеют различное архитектурное решение. До наших дней в неизменном виде сохранился лишь северный фасад (с южного фасада в XIX веке был надстроен второй этаж).
Северный фасад выглядит более торжественно и нарядно. Центр его выделен в виде трёхгранного ризалита с четырьмя пилястрами, соответствующий Большому овальному залу. Южный фасад, обращённый к пруду, выглядит совсем по-другому. К зданию пристроены два сильно выступающих ризалита, которые предназначались для жилых покоев[5]. В XVIII веке ризалиты образовывали собой миниатюрный дворик, в центре которого находился вход во дворец. Однако в 1850-е годы с южного фасада по проектам архитекторов А. Штакеншнейдера и Л. Бонштедта был надстроен второй этаж. Тогда же появилась и застеклённая галерея в первом этаже. С востока и запада к торцовым частям дворца были пристроены небольшие помещения — антикамеры.
В 1852—1853 гг. южный фасад был перестроен (появился второй этаж) по проектам А. Штакеншнейдера и Л. Бонштедта. Как музей дворец открыт в 1922 году. Из всех построек Ораниенбаума середины XVIII века (дворец Петра III, павильон Катальной горки) именно в Китайском дворце стиль рококо (который в России нигде, кроме Ораниенбаума, не получил распространения) проявил себя наиболее полно. В этом, наряду с абсолютной подлинностью дворца (Ораниенбаум в годы Великой Отечественной войны фашистами захвачен не был, в отличие от остальных пригородов Санкт-Петербурга), заключается его уникальность.
В сентябре 2011 года после реставрации было открыто 4 зала — Большая антикамера, Зал муз, Голубая гостиная и Стеклярусный кабинет. В июле 2020 года, благодаря финансовой помощи ПАО «Газпром», реставраторы закончили работу в 17 залах дворца.