พระนารายณ์ราชนิเวศน์ สมเด็จพระนารายณ์มหาราชโปรด ให้สร้างขึ้นเมื่อ พ.ศ.๒๒๐๙ เพื่อใช้เป็นที่ประทับ ณ เมืองลพบุรี แบ่งเป็นเขตพระราชฐานชั้นนอก เขตพระราชฐานชั้นกลาง และเขตพระราชฐานชั้นใน กำแพงพระราชวังก่ออิฐถือปูนมีใบเสมาเรียงรายบนสันกำแพง มีซุ้มประตูทั้งหมด ๑๑ ประตู ประตูทางเข้าเป็นทรงจตุรมุขมีช่องทางเข้าโค้งแหลม ตรงจั่วซุ้มประตูตกแต่งลายกระจังปูนปั้น ที่วิวัฒนาการมาจากดอกบัว ที่ซุ้มประตูและกำแพงพระราชฐานชั้นกลางและชั้นในมีช่องเล็ก ๆ เจาะเป็นรูปโค้งแหลมคล้ายบัวเรียงเป็นแถว สำหรับวางตะเกียง ประมาณ ๒,๐๐๐ ช่อง ต่อมาพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ ๔ ) โปรดเกล้าฯ ให้ซ่อมแซมขึ้นใหม่เมื่อ พ.ศ.๒๓๙๙ เพื่อให้เป็นราชธานีชั้นใน และพระราชทานชื่อว่า “พระนารายณ์ราชนิเวศน์” สิ่งก่อสร้างภายในพระราชวังแบ่งตามยุคสมัยเป็น ๒ กลุ่ม คือ
สิ่งก่อสร้างในสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช
พระที่นั่งดุสิตสวรรค์ธัญญมหาปราสาท เป็นพระที่นั่งศิลปกรรมแบบไทย และฝรั่งเศสผสมกัน เดิมเป็นท้องพระโรงมียอดแหลมทรงมณฑป ตรงกลางท้องพระโรงมีสีหบัญชร ซึ่งเป็นที่เสด็จออกเพื่อทรงมีพระราชปฏิสันถารกับผู้เข้าเฝ้า ประตูและหน้าต่างท้องพระโรงซึ่งอยู่ด้านหน้าทำเป็นโค้งแหลม ส่วนตัวมณฑปซึ่งอยู่ด้านหลังทำประตูหน้าต่างเป็นซุ้มแบบไทย คือ ซุ้มเรือนแก้วฐานสิงห์ ในจดหมายเหตุทูตฝรั่งเศส กล่าวพรรณนาพระที่นั่งว่า “ตามผนังประดับด้วยกระจกเงา ซึ่งนำมาจากฝรั่งเศส เพดานแบ่งเป็นช่องสี่เหลี่ยมจัตุรัส ๔ ช่อง ประดับด้วยลายดอกไม้ทองคำ และแก้วผลึกที่ได้มาจากเมืองจีนงดงามมาก” ผนังด้านนอกพระที่นั่งตรงมณฑปชั้นล่าง เจาะเป็นช่องโค้งแหลมไว้สำหรับวางตะเกียง ซึ่งจะเห็นได้อีกเป็นจำนวนมากตามซุ้มประตู และกำแพงของพระราชวัง สมเด็จพระนารายณ์ฯ เคยเสด็จออกรับคณะราชทูตฝรั่งเศส เชอวาเลีย เดอ โชมองต์ ที่พระที่นั่งองค์นี้ในปี พ.ศ. ๒๒๒๘ ด้วย
พระที่นั่งจันทรพิศาล สร้างขึ้นในปี พ.ศ.๒๒๐๘ เป็นที่ประทับของสมเด็จพระนารายณ์ฯ ที่สร้างทับลงไปบนรากฐานเดิมของพระที่นั่งซึ่งพระราเมศวรโอรสองค์ใหญ่ของพระเจ้าอู่ทองได้ทรงสร้างเมื่อครั้งครองเมืองลพบุรี พระที่นั่งองค์นี้เป็นสถาปัตยกรรมแบบไทยแท้ ด้านหน้ามีมุขเด็จ ภายหลังเมื่อได้สร้างพระที่นั่งสุทธาสวรรค์ขึ้น สมเด็จพระนารายณ์ฯ ทรงย้ายไปประทับที่พระที่นั่งองค์ใหม่ และโปรดให้ใช้พระที่นั่งจันทรพิศาลเป็นที่ออกขุนนาง ซึ่งตรงกับบันทึกของชาวฝรั่งเศสว่าเป็นหอประชุมองคมนตรี ในสมัยรัชกาลที่ ๔ ทรงบูรณะพระที่นั่งองค์นี้ตามแบบของเดิม ปัจจุบันใช้จัดแสดงเรื่องราวพระราชประวัติของ สมเด็จพระนารายณ์มหาราช และงานประณีตศิลป์สมัยอยุธยาและรัตนโกสินทร์
พระที่นั่งสุทธาสวรรค์ เป็นที่ประทับส่วนพระองค์ของสมเด็จพระนารายณ์ฯ ตั้งอยู่ในเขตพระราชฐานชั้นใน บันทึกของชาวฝรั่งเศสกล่าวว่า “พระที่นั่งองค์นี้ตั้งอยู่ในพระราชอุทยานที่ร่มรื่น ทรงปลูกพรรณไม้ต่างๆ ด้วยพระองค์เอง หลังคาพระที่นั่งมุงด้วยกระเบื้องเคลือบสีเหลือง ที่มุมทั้งสี่ มีสระน้ำใหญ่สี่สระ เป็นที่สรงสนานของพระเจ้าแผ่นดิน” สมเด็จพระนารายณ์ฯ สวรรคต ณ พระที่นั่งองค์นี้ เมื่อวันที่ ๑๑ กรกฎาคม พ.ศ.๒๒๓๑
ตึกพระเจ้าเหา ตั้งอยู่ทางด้านใต้ของเขตพระราชฐานชั้นนอก ตึกหลังนี้แสดงให้เห็นถึงลักษณะสถาปัตยกรรมสมัยสมเด็จพระนารายณ์ฯ ได้อย่างชัดเจนมาก เป็นตึกที่สร้างเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า กว้าง ๑๐ เมตร ยาว ๒๐ เมตร ยกพื้นสูงขึ้นไปประมาณ ๑ เมตร ตัวตึกเป็นรูปทรงไทย ฐานก่อด้วยศิลาแลง และจึงก่ออิฐขึ้นมาอีกชั้นหนึ่ง ปัจจุบันเหลือแต่ผนังประตูหน้าต่าง ทำเป็นซุ้มเรือนแก้วฐานสิงห์ ปัจจุบันคงปรากฏลายให้เห็นอยู่ ด้วยเหตุว่าภายในตึกมีฐานชุกชีปรากฏให้เห็นอยู่และชาวฝรั่งเศสได้ระบุว่าเป็นวัด จึงสันนิษฐานว่าเป็นหอพระประจำพระราชวัง ตึกพระเจ้าเหาหรือ “พระเจ้าหาว” (หาวเป็นภาษาไทยโบราณ หมายถึงท้องฟ้า) ในตอนปลายรัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์ฯ พระเพทราชา และขุนหลวงสรศักดิ์ใช้ตึกพระเจ้าเหา เป็นที่นัดแนะประชุมขุนนาง และทหารเพื่อแย่งชิงราชสมบัติขณะที่สมเด็จพระนารายณ์ฯ ทรงพระประชวรหนัก
ตึกรับรองแขกเมือง ตั้งอยู่ในเขตพระราชฐานชั้นนอก ใกล้กับหมู่ตึกสิบสองท้องพระคลังเป็นสถาปัตยกรรมแบบฝรั่งเศส บันทึกของชาวฝรั่งเศสกล่าวว่า ตึกหลังนี้อยู่กลางอุทยาน ซึ่งแบ่งเป็นช่องสี่เหลี่ยมจัตุรัส รอบตึกมีคูน้ำล้อมรอบ ภายในคูน้ำมีน้ำพุเรียงรายเป็นระยะอยู่ ๒๐ แห่ง จากเค้าโครงที่เห็นแสดงว่าในสมัยก่อนคงจะสวยงามมาก ทางด้านหน้าตึกเลี้ยงรับรองมีรากฐานเป็นอิฐแสดงให้เห็นว่าตึกหลังเล็ก ๆ คงจะเป็นโรงมหรสพ ซึ่งมีการแสดงให้แขกเมืองชมภายหลังการเลี้ยงอาหาร สมเด็จพระนารายณ์ฯ ได้พระราชทานเลี้ยงแก่คณะทูตจากประเทศฝรั่งเศส ณ สถานที่นี้ใน พ.ศ. ๒๒๒๘ และ พ.ศ. ๒๒๓๐
พระคลังศุภรัตน์ (หมู่ตึกสิบสองท้องพระคลัง) เป็นหมู่ตึกตั้งอยู่ระหว่างอ่างเก็บน้ำประปาและตึกซึ่งใช้เป็นสถานที่พระราชทานเลี้ยงชาวต่างประเทศ สร้างขึ้นอย่างมีระเบียบด้วยอิฐเป็น ๒ แถวยาวเรียงชิดติดกัน อาคารมีลักษณะค่อนข้างทึบ มีถนนผ่ากลาง จำนวนรวม ๑๒ หลัง เข้าใจว่าเป็นคลังเพื่อเก็บสินค้า หรือเก็บสิ่งของเพื่อใช้ในราชการ
อ่างเก็บน้ำหรือถังเก็บน้ำประปา ก่อด้วยอิฐยกขอบเป็นกำแพงสูงหนาเป็นพิเศษ ตรงพื้นที่มีท่อดินเผาฝังอยู่เพื่อจ่ายน้ำไปใช้ตามตึกและพระที่นั่งต่างๆ โดยท่อดินเผาจากทะเลชุบศรและอ่างซับเหล็กตามบันทึกกล่าวว่า ระบบการจ่ายทดน้ำเป็นผลงานของชาวฝรั่งเศสและอิตาเลียน
โรงช้างหลวง ตั้งเรียงรายเป็นแถวชิดริมกำแพงเขตพระราชฐานชั้นนอกด้านในสุด โรงช้างส่วนใหญ่ปรักหักพังเหลือแต่ฐานปรากฏให้เห็นประมาณ ๑๐ โรง ช้างซึ่งยืนโรงในพระราชวัง คงเป็นช้างหลวงหรือช้างสำคัญ สำหรับใช้เป็นพาหนะของสมเด็จพระนารายณ์ฯ เจ้านายหรือขุนนางชั้นผู้ใหญ่
สิ่งก่อสร้างในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว
ประกอบด้วยหมู่พระที่นั่งพิมานมงกุฎและอาคารต่างๆ ซึ่งปัจจุบันใช้เป็นพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติสมเด็จ พระนารายณ์
หมู่พระที่นั่งพิมานมงกุฎ พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวโปรดเกล้าฯให้สร้างขึ้นเมื่อปี พ.ศ. ๒๔๐๕ เพื่อเป็นที่ประทับของพระองค์ เมื่อครั้งเสด็จบูรณะเมืองลพบุรี ประกอบด้วยพระที่นั่ง ๔ องค์ คือ พระที่นั่งพิมานมงกุฎ เป็นที่ประทับ พระที่นั่งวิสุทธิวินิจฉัยเป็นท้องพระโรงเสด็จออกว่าราชการแผ่นดิน พระที่นั่งไชยศาสตรากรเป็นที่เก็บอาวุธ พระที่นั่งอักษรศาสตราคม ในสมัยรัชกาลที่ ๕ ได้ทรงพระราชทานให้เป็นศาลากลางจังหวัด ต่อมาเมื่อศาลากลางจังหวัดย้ายไปอยู่ที่ใหม่ พระที่นั่งหมู่นี้จึงรวมกับพระที่นั่งจันทรพิศาล เป็นพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติสมเด็จพระนารายณ์
หมู่ตึกพระประเทียบ ตั้งอยู่บริเวณหลังพระที่นั่งพิมานมงกุฎ ซึ่งเป็นเขตพระราชฐานฝ่ายใน เป็นตึกชั้นเดียว ๒ หลัง ก่อด้วยอิฐถือปูนสูง ๒ ชั้น เรียงรายอยู่ ๘ หลัง สร้างขึ้นเพื่อเป็นที่พักของข้าราชการฝ่ายในที่ตามเสด็จรัชกาลที่ ๔ เมื่อครั้งเสด็จประพาสเมืองลพบุรี
ทิมดาบหรือที่พักของทหารรักษาการณ์ เมื่อเดินผ่านประตูทางเข้าเขตพระราชฐานชั้นกลาง ข้างประตูทั้งสองด้านตรงบริเวณสนามหญ้าจะแลเห็นศาลาโถงข้างละหลัง นั่นคือตึกซึ่งสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นที่พักของทหารรักษาการณ์ในเขตพระราชวัง