Architektura pałacu jest oryginalna – jest to efekt połączenia sztuki europejskiej ze staropolską tradycją budowy. Zachowany wystrój malarsko-rzeźbiarski elewacji i wnętrz pałacowych, który w nawiązaniu do symboliki antycznej głosi apoteozę rodu Sobieskich i gloryfikację sukcesów militarnych króla.
Wystrój sztukatorski i malarski pałacu jest dziełem takich twórców jak Józef Szymon Bellotti,Jerzy Siemiginowski-Eleuter, Michelangelo Palloni, Claude Callot, Jan Samuel Mock (obrazyAugusta II Mocnego w Gabinecie Holenderskim). Dekoracje w tarczach elewacji wykonałFrancesco Fumo. Ornamentyka regencyjna (lata 20. i 30. XVIII w.) jest dziełem Pietro Innocente Comperetiego. Autorem rzeźby gabinetowej jest pochodzący z płd.-wsch. Polski (Puławy) z rodziny rzeźbiarzy działających dla Lubomirskich – Eliasz Hofmann.
Początkowo była to typowa podmiejska rezydencja magnacka, w kształcie dworu polskiego zalkierzami. W kształcie z 1696 reprezentuje charakterystyczny typ barokowej rezydencjipodmiejskiej entre cour et jardin. W latach 1720–1728 dobudowano skrzydła boczne (autor projektu: Giovanni Spazzio – główny architekt Elżbiety z Lubomirskich Sieniawskiej).
Po śmierci Sobieskiego w 1696 pałac był własnością jego synów, a następnie – od 1720 – siedzibą znanych rodów magnackich: Sieniawskich, Czartoryskich, Lubomirskich, Potockich i Branickich. W latach 1730–1733 był rezydencją króla Augusta II Mocnego. Każda z rodzin dokonywała zmian we wnętrzach pałacu, w ogrodzie i najbliższym otoczeniu zgodnie z aktualną modą i potrzebami.
W 1805 z inicjatywy ówczesnego właściciela, Stanisława Kostki Potockiego, w części pałacu powstało jedno z pierwszych publicznych muzeów w Polsce. Obok prezentacji bogatych zbiorów sztuki europejskiej i dalekowschodniej, część centralną pałacu poświęcono pamięci Jana III i wspaniałej przeszłości narodowej. Przejęty po ostatniej wojnie na własność państwa, po gruntownych pracach konserwatorskich i rewaloryzacyjnych oraz rewindykacji znacznej części zbiorów wywiezionych przez Niemców, został udostępniony publiczności w 1962 roku.
Od 1995 pałacem i zespołem pałacowo-parkowym zarządza Muzeum Pałac w Wilanowie.