Павильон расположен на Царицыном острове, посреди Ольгиного пруда и окружён утопающим в цветах садом с фонтанами, статуями и мраморными скамьями. Здесь, на уединённом острове, архитектор А. И. Штакеншнейдер и садовый мастер П. И. Эрлер попытались создать модель «рая», идеальный мир романтической мечты, подобный сказочным мирам островов южных морей, которые описывали путешественники. Именно об этом мечтала Александра Федоровна, давно желавшая побывать в Италии.
Главный вход в павильон расположен с юга, со стороны садика с фонтаном. В основе павильона расположен атриум, середину его занимает квадратный бассейн из голубого и розового мрамора с фонтаном-вазой. По углам бассейна четыре колонны «голубого» мрамора поддерживают кровлю, но вместо открытого проёма А. И. Штакеншнейдеру пришлось предусмотреть стеклянный купол, который в холодную погоду закрывался, а в жаркую открывался. После революции в павильоне был открыт музей, который просуществовал до 1933 года. В годы репрессий Царицын павильон, как и многие другие петергофские музеи, был закрыт, а музейные коллекции, в основном, перевезены в кладовые Большого дворца. Во время войны немцы устроили в павильоне наблюдательный пункт. Здание пострадало от небрежного обращения и протечек, но не было разрушено. Всю вторую половину XX века павильон стоял пустой, но все-таки охранялся и регулярно проветривался. Во многом благодаря этому здесь сохранились подлинные мозаичные полы, колонны и частично стенная роспись. Значительно пострадала коллекция. Реставрационные работы велись с большими перерывами и закончились только в 2005 году, когда Царицын павильон вновь открылся для посетителей.