باغ چهل‌ ستون سه در ورودی داشته که در قدیمی آن، رو به شرق قرار گرفته است. هنگام ورود به باغ از سردر اصلی آن، پس از طی مسافتی نه چندان زیاد، به استخر بزرگ جلوی عمارت و سپس به خود بنا خواهیم رسید. محور اصلی باغ، جهت حرکت را به کمک درختانی در دو سو به سمت کاخ اصلی نشان می‌دهد. باغ چهلستون دارای شیب بسیار كمی است كه به جاری شدن آب در جوی‌ها كمك می‌کند. آب باغ در گذشته از شاخه‌ای از مادی «فدن» تامین می‌شده که پس از طی مسافتی از انتهای باغ وارد میدان نقش جهان می‌شد. در حال حاضر، آب باغ از چاهی عمیق تامین می‌شود. پوشش گیاهی باغ چهل‌ستون در حال حاضر عبارت است از درختان کاج ایرانی، نارون، افرای سیاه، چنار و عرعر. در باغچه‌های اطراف کاخ، گل‌هایی فصلی كاشته شده كه در جنوب باغ در گلخانه پرورش داده می‌شود. مساحت کاخ ۲۱۲۰ متر مربع و محل بنای عمارت یک متر از سطح باغ بلندتر است .

باغ چهل‌ستون اصفهان، نمونه‌ای از یك باغ سلطنتی از دوره صفوی است. تا سال ۱۳۲۷ خورشیدی، چون تاریخ دقیق بنا به دست نیامده بود، اظهارنظر درباره تاریخ بنای چهل‌ستون مشكل بود. ولی درهمان سال در نتیجه کاوش‌هایی كه به عمل آمد، در جبهه تالار كاخ، اشعاری در دو كتیبه از زیر گچ به دست آمد كه یكی کوتاه‌تر و بر زمینه صورتی‌رنگ، بنای تالار چهل‌ستون را به شاه‌عباس دوم نسبت می‌دهد و سال اتمام آن را ۱۰۵۷ هجری قمری تعیین می‌کند و دیگری كه طولانی‌تر است و خطوط آن گچ‌بری بر زمینه آبی‌رنگ است از تعمیرات زمان شاه سلطان حسین حكایت دارد.

یكی از برنامه‌های شهری دوره شاه‌ عباس اول و پس‌ از انتخاب شهر اصفهان به‌ عنوان پایتخت در سال۱۰۰۷ هجری قمری، احداث خیابان زیبا و طویل چهارباغ و باغ‌های متعدد پیرامون آن بود. پی‌درپی بودن باغ‌ها كه یادآور مفهوم "باغ اندر باغ" هستند، چون باغ خرگاه، باغ بلبل، باغ هشت‌ بهشت، باغ فتح‌آباد، باغ كاج، باغ نسترن، باغ خلعت، باغ انگورستان و سایر باغ‌ها، از جمله اصول طرح‌اندازی شهر اصفهان محسوب می‌شد. امروزه به‌ جز باغ هشت‌ بهشت و باغ چهل‌ستون، سایر باغ‌ها از بین رفته‌اند و تنها نامی از آن‌ها باقی است.

با انتخاب اصفهان به پايتختی و گسترش شهر به‌ طرف جنوب و احداث ميدان امام، استقرار کاخ‌های شاهی به‌ وسیله شيخ بهائی پایه‌ریزی شد. انتخاب فضائی وسيع در مجموعه‌ای که در آن روزگار (دولت‌خانه) ناميده می‌شد و بررسی‌هایی که برای آينده صورت می‌گرفت، تماماً حکايت از ذوق و استعداد و خلاقيت شيخ بهائی دانشمند بلندآوازه دوره صفوی دارد. مجموعه کاخ‌هایی که شروع آن‌ها (عالی‌قاپو) بود تا ميدان اصلی و مرکزی چهارباغ عباسی ادامه داشت. در اين محوطه بزرگ که چند کاخ سلطنتی نيز مستقر بود، عماراتی مانند تالار اشرف، جبه‌خانه، رکيب خانه، کشیک‌خانه، تالار طويله، کاخ هشت‌بهشت، توحيد خانه، و برخی عمارت‌های ديگر ساخته شد.با توجه به ماده تاريخ‌هایی که بعضی از شعرای عصر صفويه در اشعارشان آورده‌اند و با مراجعه به کتب و متون مربوط به آن روزگار، سال اتمام کاخ چهل‌ستون ۱۰۵۷ هجری در زمان سلطنت شاه‌عباس دوم بوده است. از جمله اين شعرا (صائب تبريزی) ملک الشعراء آن روزگار است که طی قصيده بلند بالایی چهل‌ستون را توصيف کرده و در آخر قصيده با مصراع قبله‌گاه تاجداران باد دائم اين مکان، سال ۱۰۵۷ هجری را بيان کرده است.

معماری این کاخ ترکیبی از هنر معماری چینی، ایرانی و فرنگی است و مشتمل بر یک ایوان اصلی (بزرگ) به طول ۳۸ متر، عرض ۱۷ متر و ارتفاع ۱۴ متر است که رو به شرق ساخته شده است. ستون‌های این ایوان هشت‌ضلعی از جنس چوب چنار و کاج می‌باشند. چهارستون وسط روی چهار شیرسنگی قرار دارد.ايوان کاخ چهل‌ستون مرکب از دو بخش است يک بخش که بر ۱۸ ستون چوبی و رفيع استوار است چهارستون وسط که روی ۴ شير سنگی قرارگرفته و حجاری آن‌ها به‌گونه‌ای است که دو شير به یک سر انسان نشان داده می‌شود. از دهان اين چهار شير آب فوران می‌کرده و به حوض مرمری تالار می‌ریخته است.قسمت ديگر که کمی مرتفع‌تر است، سردر ورودی تالار را تشکيل می‌دهد و در بعضی منابع آن را تالار آیینه نامیده‌اند. اين قسمت بر دو ستون قرارگرفته و سراسر آن مزين به آیینه‌کاری وسيع و پرکاری است که در آن آیینه‌های ريز و خوش‌نقش به‌ صورت معرق در کنار آیینه‌های قدی و خشتی به‌ کار رفته‌اند. سقف تالار از قاب‌های چوبی و به اشکال مختلف هندسی ساخته‌ شده‌اند. تصوير قرينه حوض مرمرين وسط ايوان در تزئينات سقف مشاهده می‌شود. اين قرینه‌سازی شباهت بسياری با ايوان عالی‌قاپو دارد. تالار مرکزی کاخ که اختصاص به ميهمانان خارجی و شخصیت‌های کشورهای ديگر داشت، حاوی نقاشی‌هائی است که وقايع تاريخی دوره‌های مختلف را بيان می‌کنند. اين سالن باشکوه که بر گنبدی منقوش استوار است، با لچکی‌های رنگارنگ و طرح‌های طلايی و شفاف، از شاهکارهای هنری آن عصر محسوب می‌شوند.

نقاشی‌های موجود در تالار مرکزی کاخ که برخی از آن‌ها در عصر قاجار نقاشی شده‌اند، شرح پذيرایی شاه‌عباس اول و دوم و شاه‌طهماسب از امرای ترکستان و همايون هندی و نيز جنگ شاه اسماعيل اول با ازبکان است. دو تصوير ديگر که يکی روبروی در ورودی تالار و ديگری مقابل آن است، جنگ چالدران در دوران شاه اسماعيل اول و جنگ کرنال در زمان نادر شاه افشار را به نمايش می‌گذارند. اين دو تصوير در اوایل عصر قاجاريه نقاشی شده‌اند. در دو طرف تالار ستون‌دار، اتاق‌هایی است که در حال حاضر برای نمایشگاه‌های فصلی مورداستفاده قرار می‌گیرند. اين اتاق‌ها نيز شامل نقاشی‌هایی است که برخی از آن‌ها شاهکار مسلم نقاشی محسوب می‌شوند. بيشتر اين نقاشی‌ها در زمان حکومت ظل‌السلطان زير لایه‌ای از گچ پنهان‌شده بود که با کمک کارشناسان و متخصصان از زير گچ بيرون آمده و مرمت‌ شده‌اند.استخر کاخ علاوه بر زیبایی باعث لطافت هوا می‌شود. در چهار طرف اين استخر مجسمه‌هایی قرار دارند که مربوط به عمارت چهل‌ستون نيستند و به هنگام تخريب قصر سرپوشيده به اين محل منتقل‌ شده‌اند. به نوشته برخی از مورخان، اين عمارت در اواخر دوران صفوی دچار آتش‌سوزی مهيبی شد و قسمت‌هایی از آن در آتش سوخت. در دو طرف سالن مرکزی عمارت چهل‌ستون، تصاويری از سفرا و اروپائيانی که در آن روزگار در اصفهان بوده‌اند، نقاشی شده است. اين تصاوير را دو نقاش هلندی که (آنژل Anjel) و (لوکار Lokar) ناميده می‌شدند، نقاشی کرده‌اند. تزیینات عالی طلاکاری سالن پادشاهی و اتاق‌های طرفین تالار آیینه و تابلوهای بزرگ نقاشی تالار پادشاهی که شاهان صفوی را نشان می‌دهند.به‌ طورکلی در عمارت تاريخی چهل‌ستون نقوش ترکيبی ديوارها و سقف تالار که در قالب‌های زيبای لچک و ترنج قرارگرفته‌اند و خطوط اصلی تقسيمات بنا که ترکيب زيبايی از نقاشی و کاشی‌کاری و ساير تزئينات متعدد و متنوع هستند، اين اثر باشکوه را به‌صورت يکی از بارزترين نمونه‌های معماری دوران صفويه تبدیل کرده است. در حال حاضر، عمارت چهل‌ستون به‌صورت باغ‌موزه‌ای که سالن مرکزی آن محل نمايش برخی از آثار هنری دوره‌های مختلف ايران است، مورد بازديد جهانگردان خارجی و میهمانان داخلی قرار می‌گیرد.

ایوان اصلی بر بیست ستون استوار است بسیاری از محققین وجه تسمیه کاخ را انعکاس بیست ستون بر استخر زیبا و بزرگ عمارت می‌دانند. البته نقشی که عدد ۴۰ در ادب فارسی دارد (این عدد نشان تعدد و کثرت است) نیز شاید دلیل دیگری بر نامیده شدن عمارت به چهل‌ ستون باشد.

تالار ۱۸ ستون تالار آیینه شیرهای سنگی چهارگوشه حوض مركزی تزئینات عالی طلاكاری و نقاشی‌های سالن پادشاهی تصویری از شاه‌عباس اول با تاج مخصوص آثاری مانند سر در مسجد قطبیه و سردرهای زاویه درب كوشك و آثاری از مسجد درب جوباره و مسجد آقاسی كه بر دیوارهای ضلع غربی و جنوبی باغ نصب‌شده است. سقف باشکوه نقاشی تالار ۲۰ ستون و سقف آیینه‌کاری تالار آیینه و مدخل آیینه‌کاری تالار جلوس شاه‌عباس دوم ستون‌های عظیم تالارهای ۲۰ ستون و تالار آینه که هر یک از آن‌ها تنه یک درخت چنار است. شیرهای سنگی چهارگوشه حوض مرکزی تالار و ازاره‌های مرمری منقش اطراف که معرف صنعت حجاری در عهد صفویه است. تصویری از شاه‌عباس اول با تاج مخصوص و مینیاتورهای دیگری در اتاق گنجینه کاخ چهل‌ستون وجود دارد که در سال‌های ۱۳۳۴ و ۱۳۳۵ خورشیدی از زیر گچ خارج شده‌ است. آثار پراکنده‌ای از دوران صفویه مانند سر در «مسجد قطبیه» و سردرهای «زاویه درب کوشک»، آثاری از «مسجد درب جوباره» یا «پیر پینه‌دوز» و «مسجد آقاسی» که بر دیوارهای ضلع غربی و جنوبی باغ نصب‌ شده است. سنگ شیرها و مجسمه‌های سنگی اطراف حوض و داخل باغچه‌ها تنها آثاری است که از دو قصر باشکوه دیگر صفویه یعنی آیینه‌خانه و عمارت سرپوشیده باقی‌مانده و به این محل منتقل شده‌است.