El palacio tiene aspecto de castillo, mansión y templo con su impresionante exterior construido con piedra de granito de color blanco. Construido en un estilo neogótico, presenta una serie de elementos con aparente función militar como almenas, torres y otros como miradores y terrazas.
El edificio está orientado de sudeste a noreste y está actualmente rodeado por un foso y una verja de piedra y de hierro añadida con posterioridad.
La planta del cuerpo del edificio es rectangular, flanqueada por cuatro torres, una en cada uno de los ángulos - una de ellas de diámetro mayor que las otras tres -.
El edificio consta de cuatro pisos: sótano (de estilo mudéjar), planta baja, planta principal en forma de cruz griega - donde se halla la impresionante capilla (que forma al exterior un triple ábside con vidrieras, arbotantes, gárgolas, etc. y en el interior adornada con vitrales, pinturas y objetos religiosos que refuerzan la magnificencia del conjunto), la sala del trono, el despacho del obispo, el comedor de gala que se organizan alrededor de una pieza central o vestíbulo - y el último piso o sotabanco.
En el exterior, el porche con sus tres arcos abocinados - que crearon serios problemas durante su construcción, ya que hubieron de ser reconstruidos tres veces - constituyen uno de los elementos arquitectónicos mas espectaculares de Gaudí. En palabras de Cèsar Martinell, son juntamente con las columnas inclinadas "el mejor avance de la arquitectura en piedra desde la época ojival hasta la actualidad".
En el interior, el granito, el mosaico, los pilares y las columnas se mezclan de una manera espectacular permitiendo, como indica Carlos Flores, una organización practica del espacio "como un todo continuo y fluido en que las diversas partes se van sucediendo y encadenando sin rupturas ni divisiones definitivas" además de adaptarse con rigor al espíritu simbólico del palacio.
La iluminación es otro de los aspectos notables, especialmente en la planta principal que está dotada de una luminosidad que crea un ambiente a la vez recogido y majestuoso. Lamentablemente, el último piso (sotabanco) no se construyó según los planos de Gaudí, sino con los de García Guereta con lo que estos espacios pierden brillo y originalidad aparte de luz. Estos cambios no afectaron únicamente al interior, sino que también el exterior se terminó con unos tejados mucho mas convencionales, lo que no permitió colocar las grandes figuras de ángeles que había previsto Gaudí y que actualmente se exponen en el jardín del palacio.
Las ventanas son de estilo gótico y las de dos de las torres presentan escudos del obispo Grau promotor del edificio.
La cubierta también tiene forma de cruz griega a dos aguas y está rematada con pizarra.
