عملیات احداث این بنا در سال 1337ه.ش با طراحی ایرانی آغاز گردید. معمار طراح کاخ، مهندس محسن فروغی و مهندسین مشاور ناظر بر اجرا «شرکت مهندسین مشاور عبدالعزیز فرمانفرماییان و همکاران» و سازنده بنا «شرکت ماپ» بود.

در ابتدا این کاخ را به عنوان محلی برای پذیرایی سلطنتی و اقامت میهمانان عالی رتبه دربار طراحی نمودند اما در حین عملیات اجرایی با اعمال تغییراتی در کاربری، به محل سکونت محمدرضا پهلوی و خانواده او اختصاص یافت. احداث این کاخ در نهایت با وقفه ­ای که در ساخت آن پیش آمد در سال 1346 ه.­ش تمام شد و مورد بهره برداری قرار گرفت و تا واپسین ساعات خروج خانواده پهلوی از کشور محل اصلی سکونت محمدرضا پهلوی و خانواده وی بود.

طرح چهار ضلعی کاخ و فضاسازی معماري داخلي آن الهام گرفته از معماري ايرانی با بهره گيري از فن آوري مدرن و تزئينات آن، تلفيقي از هنر پيش از اسلام و پس از اسلام است. گچبري توسط استاد عبداللهی، آينه کاری توسط استاد علي اصغر و کاشيکاري نماي خارجي توسط استاد ابراهيم کاظم پور و ايليا انجام شده است.

یکی از شاخصه های معماری این کاخ، سقف باز شونده آلومینیومی آن است که با موتور الکترومکانیکی باز شده و نور مورد نظر سرسرای اصلی کاخ را تأمین می نمود. همچنین تلفیق معماری مدرن و کلاسیک ایرانی، خصوصاً معماری دوران هخامنشی و استفاده از سنگ های تیشه ای نظیر پاسارگاد و تخت جمشید در نما و طرح ایوان داخلی و استفاده از کاشیکاری در بخش هایی از نمای بیرونی و آیینه کاری و گچکاری های زیبا در فضاهای داخلی کاخ، زیبایی منحصر بفردی به این بنا داده است.

مبلمان و دکوراسيون داخلی تلفیقی از طراحی مدرن و کلاسیک می باشد، مبلمان داخلي توسط "شرکت مرسیه" فرانسوی و "کنول" آمریکایی طراحي و اجرا گشته و پارچه های دیوارکوب در اتاق ها جلوه خاصی به این فضاها می دهد.

طبقه همکف شامل سرسرای بزرگي است که اتاق های پذيرايی، غذاخوری، سالن سينما و اتاق نشیمن در اطراف آن قرار گرفته است. در طبقه دوم اتاق های خواب محمدرضا و فرح پهلوی، اتاق آرایش و رختکن فرح و اتاق های فرزندان و  ندیمه هایشان قرار دارد. همچنین در نیم طبقه، دفتر کار فرح پهلوی و اتاق های لیلا قرار گرفته است.

مجموعه ای گرانبها از تابلوهای نقاشی هنرمندان ایرانی و خارجی، گوبلن ها، فرش های نفیس ایرانی و ظروف چینی و کریستال کارخانه های سِور فرانسه، رُزِنتال آلمان و ... زینت بخش فضاهای داخلی این بنا می باشد.

کاخ اختصاصی نیاوران پس از پیروزی انقلاب اسلامی، برای نخستین بار به عنوان موزه در سال 1365 ه.ش جهت بازدید عموم علاقه مندان به تاریخ، فرهنگ و هنر ایرانی بازگشایی گردید.

این کاخ موزه در دی ماه 1382 با هدف مرمت و بهسازی تعطیل شد و به مدت 6 سال عملیات مرمت شامل نقاشی بنا، مرمت گچبری ها و آینه کاری ها، ایجاد سیستم هواساز، تعویض سیستم­های برق و کابل ها، تعمیر پوشش بام و عایق کاری و راه­اندازی مجدد سقف متحرک، آسانسور، تعمیر سنگفرش و پارکت کف فضاهای مختلف، تجهیز مخزن و ایجاد سیستم حفاظت الکترونیک (دوربین مداربسته) با حفظ اصالت بنا انجام شد. مرمت مبلمان، پرده­ها و دیوارکوب های پارچه ای و مرمت تعداد زیادی از اشیاء با رعایت اصول مرمتی و مطالعات کارشناسی در خصوص آثار از دیگر اقدامات انجام گرفته می­باشد. در نهایت مجدداً این کاخ موزه جهت بازدید عموم علاقمندان به تاریخ، فرهنگ و هنر ایرانی در اسفند 1388 مجدداً بازگشایی گردید.