พิพิธภัณฑ์พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว (พระราชวังสนามจันทร์) ตั้งอยู่ในตัวเมือง ห่างจากองค์พระปฐมเจดีย์ ไปทางทิศตะวันตก ประมาณ ๒ กิโลเมตร มีพื้นที่ประมาณ ๘๘๘ ไร่ ๓ งาน ๒๔ ตารางวา พระราชวังแห่งนี้พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้น ตั้งแต่ยังทรงดำรงพระยศเป็นสมเด็จพระบรมโอรสาธิราชสยามมกุฎราชกุมาร เริ่มก่อสร้างในปี พ.ศ. ๒๔๕๐ โดยหลวงพิทักษ์มานพ (น้อย ศิลปี) ซึ่งต่อมาเลื่อนยศเป็นพระยาศิลป์ประสิทธิ์ เป็นผู้ดำเนินการก่อสร้าง พระที่นั่งเมื่อแรกสร้างมีเพียง ๒ พระที่นั่ง ได้แก่ พระที่นั่งพิมานปฐม และพระที่นั่งอภิรมย์ฤดี และพระราชทานนามตามประกาศลงวันที่ ๒๗ สิงหาคม พ.ศ. ๒๔๕๔ และต่อมาได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ทำพิธียกพระมหาเศวตฉัตรขึ้นประดิษฐานเหนือพระแท่นรัตนสิงหาสน์ ภายในพระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์เมื่อวันที่ ๗ มิถุนายน พ.ศ. ๒๔๖๖
การสร้างพระราชวังแห่งนี้มีมูลเหตุจูงใจมาจากการบูรณะปฏิสังขรณ์องค์พระปฐมเจดีย์ ซึ่งทำให้พระองค์ทรงพอพระราชหฤทัย เมืองนครปฐมเป็นอย่างยิ่งทรงเห็นว่า เป็นเมืองที่เหมาะสมสำหรับประทับพักผ่อน เนื่องจากมีภูมิประเทศที่งดงาม ร่มเย็น นอกจากนี้ยังทรงมีพระราชดำริที่ลึกซึ้ง นั่นก็คือ ทรงเห็นว่านครปฐมเป็นเมืองที่มีชัยภูมิเหมาะ สำหรับต้านทานข้าศึกซึ่งจะยกเข้ามาทางน้ำได้อย่างดี ด้วยทรงจดจำเหตุการณ์ เมื่อ ร.ศ.๑๑๒ ที่ฝรั่งเศสนำเรือรบเข้ามาปิดปากอ่าวไทยได้ และไม่ต้องการที่จะให้ประเทศไทยตกอยู่ในสภาพดังกล่าว จึงตั้งพระทัยที่จะสร้างพระราชวังสนามจันทร์ไว้ สำหรับเป็นเมืองหลวงที่สองหาก ประเทศชาติประสบปัญหาวิกฤติ
พระราชวังสนามจันทร์ มีอาณาเขตกว้างขวางประกอบด้วยสนามใหญ่อยู่กลาง มีถนนโอบเป็นวงโดยรอบ และมีคูน้ำล้อมอยู่ชั้นนอก ส่วนพระที่นั่งต่าง ๆ นั้นรวมกันอยู่ส่วนกลางของพระราชวังเท่าที่ปรากฏอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่
พระที่นั่งพิมานปฐม เป็นพระที่นั่งองค์แรก ที่สร้างขึ้นในพระราชวังสนามจันทร์ เป็นตึก ๒ ชั้นแบบตะวันตกตัวอาคารก่ออิฐถือปูน ทรงใช้เป็นที่ประทับโดยเฉพาะก่อนเสด็จฯขึ้นครองราชย์ เป็นที่ทรงพระอักษร ที่เสด็จออกขุนนาง ที่รับรองพระราชอาคันตุกะ และออกให้ราษฎรเข้าเฝ้ามากกว่าพระที่นั่งอื่นๆ ภายในพระที่นั่งมีห้องต่างๆ อาทิ ห้องบรรทม ห้องสรง ห้องเสวย ห้องภูษา ฯลฯ มีพระพุทธรูปปางปฐมเทศนา อยู่องค์หนึ่งและมีภาพเขียนจิตรกรรมฝาผนัง ฝีมือพระยาอนุศาสน์จิตรกร(จันทร์ จิตรกร) งดงามน่าชม และที่พระที่นั่งนี้พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้ประทับทอดพระเนตรเห็นปาฏิหาริย์ ขององค์พระปฐมเจดีย์บนแท่นไม้สักมีขนาด ๒ เมตร ชื่อว่า “พระที่นั่งปาฏิหาริย์ทัศไนย์” ขณะนี้ทางการได้รื้อนำไปตั้งไว้หน้า พระที่นั่งพุทไธศวรรย์ในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ส่วนพระที่นั่งพิมานปฐมนั้น ปัจจุบันใช้เป็นส่วนหนึ่งของศาลากลางจังหวัดนครปฐม
พระที่นั่งอภิรมย์ฤดี เป็นตึก ๒ ชั้น อยู่ด้านใต้ของพระที่นั่งพิมานปฐม ขณะนี้ใช้เป็นที่ทำการของศาลากลางจังหวัดนครปฐม
พระที่นั่งวัชรีรมยา เป็นตึก ๒ ชั้น สร้างด้วยสถาปัตยกรรมแบบไทย หลังคาซ้อน มียอดปราสาทมุงด้วยกระเบื้องเคลือบสีงดงาม มีช่อฟ้าใบระกา นาคสะดุ้ง หางหงส์ครบถ้วน พระที่นั่งองค์นี้เคยใช้เป็นที่บรรทม เมื่อเสด็จขึ้นครองราชย์แล้ว ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของศาลากลางจังหวัด
พระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์ อยู่ถัดจากพระที่นั่งวัชรีรมยา โดยมีโถงใหญ่และหลังคาเชื่อมต่อกัน เป็นศาลาโถง ทรงไทย ยกสูงจากพื้นดินประมาณหนึ่งเมตร และมีอัฒจันทร์ลงสองข้าง หน้าบันอยู่ทางทิศเหนือเป็นรูปจำหลักท้าวอมรินทราธิ ราชประทานพรประทับอยู่ในพิมานปราสาทสามยอด พระหัตถ์ขวาทรงวชิระ พระหัตถ์ซ้ายประทานพรแวดล้อม ด้วยบริวารประกอบด้วยเทวดาและมนุษย์ห้าหมู่ พระที่นั่งองค์นี้ใช้เป็นที่ออกงานสโมสรสันนิบาต เป็นท้องพระโรงเวลาเสด็จออกขุนนาง เป็นที่ประชุมข้าราชการและกองเสือป่า และใช้เป็นโรงละครสำหรับแสดงโขนอีกด้วย จึงมีชื่อเรียกติดปากชาวบ้านว่า “โรงโขน” พระที่นั่งมีลักษณะพิเศษ คือ ตัวแสดงจะออกมาปรากฏกายภายนอกฉากบนเฉลียงถึง ๓ ด้าน มิใช่แสดงอยู่เพียงบนเวที โรงละครที่มีลักษณะดังกล่าวนี้มีอีก ๒ แห่งคือ โรงละครสวนมิสกวันและหอประชุมโรงเรียนวชิราวุธ ปัจจุบันพระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์ใช้เป็นหอประชุมของจังหวัดนครปฐม หรือใช้ในพิธีต่าง ๆ ของทางราชการ
พระตำหนักชาลีมงคลอาสน์ ตั้งอยู่ทางทิศใต้ของสนามจันทร์ เป็นพระตำหนัก ๒ ชั้นคล้ายปราสาทขนาดย่อมสีไข่ไก่ หลังคามุงกระเบื้องสีแดง สถาปัตยกรรมแบบเรอเนสซองส์ของฝรั่งเศส กับอาคารแบบฮาร์ฟทิมเบอร์ของอังกฤษ สร้างแบบตะวันตกพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯให้สร้างพระตำหนักนี้ราวปีพ.ศ. ๒๔๕๑ โดยมีหม่อมเจ้าอิทธิเทพสรร กฤดากร เป็นสถาปนิกออกแบบ ชั้นบนมีห้องทรงพระอักษร ห้องบรรทม และห้องสรง ชั้นล่างทางทิศตะวันตกเป็นห้องรอเฝ้าฯ และเคยใช้เป็นสำนักงานชั่วคราว ในการออกหนังสือพิมพ์ดุสิตสมิตรายสัปดาห์ พระตำหนักหลังนี้ใช้เคยเป็นที่ประทับเมื่อเวลามีการซ้อมรบเสือป่า ณ พระราชวังสนามจันทร์ และทรงใช้เป็นที่ประทับตลอดช่วงปลายรัชกาล เมื่อเสด็จพระราชวังสนามจันทร์
พระตำหนักมารีราชรัตบัลลังก์ เป็นเรือนไม้สักทอง ๒ ชั้นแบบตะวันตกทาสีแดง ลักษณะสถาปัตยกรรมแบบนีโอคลาสสิค พระตำหนักองค์นี้สร้างขึ้นคู่กับพระตำหนักชาลีมงคลอาสน์ เชื่อมติดต่อถึงกันด้วยฉนวนทางเดินทอดยาวลักษณะเป็นสะพาน หลังคามุงกระเบื้อง ติดหน้าต่างกระจกตลอดความยาวสองด้าน จากชั้นบนด้านหลังพระตำหนักชาลีฯ ข้ามคูน้ำมาเชื่อมกับชั้นบนด้านหน้าของพระตำหนักมารีฯ พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างพระตำหนักนี้ราวปี พ.ศ. ๒๔๕๙ โดยมีหม่อมเจ้าอิทธิเทพสรร กฤดากร เป็นสถาปนิกออกแบบ พระตำหนักทั้งสองหลังสร้างขึ้นด้วยแรงบันดาลพระราชหฤทัยจากบทละครเรื่อง My friend Jarlet ของ Arnold Golsworthy และ E.B. Norman ซึ่งทรงแปลบทละครเรื่องนี้เป็นภาษาไทยชื่อว่า “มิตรแท้” โดยทรงนำชื่อตัวละครในเรื่องมาเป็นชื่อของพระตำหนัก
พระตำหนักทับแก้ว เป็นตึกหลังเล็กซึ่งเคยเป็นที่ประทับในฤดูหนาว ปัจจุบันได้ปรับปรุง และตกแต่งสวยงาม ใช้เป็นบ้านพักของปลัดจังหวัดนครปฐม ภายในอาคารยังมีเตาผิงสำหรับให้ความอบอุ่น และมีภาพเขียนขาวดำของ พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว บนแผ่นหินอ่อนสีขาวที่ผนังห้อง อนึ่งที่ดินบริเวณเบื้องหลังทับแก้วประมาณ ๔๕๐ ไร่ ได้กลายเป็นที่ตั้งของมหาวิทยาลัยศิลปากร
พระตำหนักทับขวัญ เป็นเรือนไทยภาคกลางที่สมบูรณ์แบบ สร้างด้วยไม้สักทองใช้วิธีเข้าไม้ตามแบบฉบับบ้านไทยโบราณ ฝาเรือนทำเป็นฝาปะกนกรอบลูกฟัก เชิงชายและไม้ค้ำยันสลักเสลาสวยงาม หลังคาเดิมมุงจาก หลบหลังคาด้วยกระเบื้องดินเผา นายช่างผู้ออกแบบและควบคุมการก่อสร้างคือ พระยาวิศุกรรมศิลป์ประสิทธิ์ (น้อย ศิลปี) พระตำหนักทับขวัญประกอบด้วยกลุ่มเรือน ๘ หลัง ได้แก่ เรือนใหญ่ ๔ หลัง เรือนเล็ก ๔ หลัง สร้างให้หันหน้าเข้าหากัน ๔ ทิศบนชานรูปสี่เหลี่ยม เรือนหลังใหญ่เป็นหอนอน ๒ หอ (ห้องบรรทมเป็นหอนอนที่อยู่ทางทิศใต้) อีก ๒ หลังเป็นเรือนโถงและเรือนครัวซึ่งอยู่ตรงข้ามกัน ส่วนเรือนเล็กอีก ๔ หลังนั้นตั้งอยู่ตรงมุม ๔ มุมๆ ละ ๑ หลัง ได้แก่ หอนก ๒ หลัง เรือนคนใช้และเรือนเก็บของ เรือนทุกหลังมีชานเรือนเชื่อมกันโดยตลอด บริเวณกลางชานเรือนปลูกต้นจันทน์แผ่กิ่งก้านไว้ให้ร่มเงา พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้นเพื่อรักษาศิลปะบ้านไทยแบบโบราณ และทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้จัดการพระราชพิธีขึ้นพระตำหนักใหม่ เมื่อวันที่ ๒๕ มกราคม พ.ศ.๒๔๕๔ พระองค์ได้ประทับแรม ณ พระตำหนักองค์นี้เป็นเวลา ๑ คืน และเมื่อมีการซ้อมรบเสือป่า พระตำหนักองค์นี้ใช้เป็นที่ตั้งกองบัญชาการเสือป่าราบหนักรักษาพระองค์
เทวาลัยคเณศวร์ หรือเรียกว่า ศาลพระพิฆเนศวร ตั้งอยู่กลางสนามหญ้าใหญ่ของพระราชวังสนามจันทร์ พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างศาลเทพารักษ์ขึ้นสำหรับพระราชวังสนามจันทร์ ประดิษฐานพระพิฆเนศวร์ซึ่งเป็นเทพเจ้าแห่งศิลปวิทยาการ เพื่อความเป็นสิริมงคลและเมื่อมองจากพระที่นั่งพิมานปฐมจะเห็นพระปฐมเจดีย์ เทวาลัยคเณศวร์และพระที่นั่งพิมานปฐมอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน ศาลนี้เป็นศูนย์กลางของพระราชวังสนามจันทร์มีผู้ศรัทธานับถือกันมาก จนเป็นสัญลักษณ์ศักดิ์สิทธิ์ของพระราชวังสนามจันทร์
อนุสาวรีย์ย่าเหล เป็นรูปหล่อด้วยโลหะขนาดเท่าตัวจริงของสุนัข ซึ่งมีความผูกพันใกล้ชิดกับพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวเป็นอย่างยิ่ง ย่าเหลเป็นสุนัขพันธุ์ทางหางเป็นพวง สีขาวด่างดำ หูตก เกิดในเรือนจำจังหวัดนครปฐม เป็นสุนัขของหลวงชัยอาญา (โพธิ์ เคหะนันท์) ซึ่งเป็นพะทำมะรง (ผู้ควบคุมนักโทษ) พระองค์ทรงพบเข้าเมื่อครั้งเสด็จฯตรวจเรือนจำ จึงนับว่าเป็นโชคของย่าเหล ที่ทรงพอพระราชหฤทัย และทรงนำย่าเหลมาเลี้ยงไว้ในราชสำนัก ด้วยความที่ย่าเหลเป็นสุนัขที่เฉลียวฉลาด และจงรักภักดีต่อพระองค์ท่านจนเป็นที่โปรดปรานมาก เป็นเหตุให้มีผู้อิจฉาริษยาและลอบยิงย่าเหลตายในที่สุด พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงโศกเศร้าอาลัยย่าเหลมาก ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯให้หล่อรูปย่าเหลด้วยทองแดงตั้งไว้หน้าพระตำหนักชาลีมงคลอาสน์ และทรงพระราชนิพนธ์กลอนไว้อาลัยย่าเหลติดไว้ที่แท่นใต้รูปหล่อนั้นด้วย
เรือนพระธเนศวร ในสมัยก่อนเคยใช้เป็นบ้านพักอาศัยของเจ้าพระยาบุรุษรัตนราชวัลลภ ภายในจัดแสดงพระราชกรณียกิจของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวฯและพระบรมวงศานุวงศ์ มีห้องแสดงเรือกอและ และสิ่งของซึ่งนำมาจากหลายที่ เช่น จากพระตำหนักสวนจิตรลดาหรือพระราชวังบางปะอิน
นอกจากนี้ ภายในพระราชวังสนามจันทร์ยังมีบ้านพักข้าราชบริพารทั้งฝ่ายหน้า และฝ่ายในที่ตามเสด็จ บ้านพักเหล่านี้ บางหลังก็ชำรุดทรุดโทรม แต่หลายหลังยังอยู่ในสภาพดีที่เห็นได้ก็คือ บ้านพักเจ้าพระยารามราฆพ ผู้สำเร็จราชการมหาดเล็กซึ่งครั้งนั้นเรียกว่า “ทับเจริญ” ปัจจุบันนี้ได้ใช้เป็นสถาบันวัฒนธรรมภูมิภาคตะวันตก
พระราชวังสนามจันทร์ เป็นสถานที่ซึ่งพระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ ๖ ทรงโปรดมากเป็นพิเศษ จะเห็นได้จากการที่เสด็จฯ แปรพระราชฐานไปประทับแรม ณ พระราชวังแห่งนี้อยู่เนืองๆ โดยเสด็จฯแปรพระราชฐานให้ตรงกับฤดูการซ้อมรบของพวกเสือป่า พระองค์จึงทรงถือโอกาสออกตรวจตรา และบัญชาการซ้อมรบของพวกเสือป่าด้วยพระองค์เองเสมอ ปัจจุบันก็ยังมีอาคารซึ่งปลูกสร้างขึ้นเพื่อกิจการของเสือป่าเหลืออยู่ให้เห็น เช่น อาคารที่พักของเสือป่าม้าหลวง และเสือป่าพรานหลวงกับโรงพยาบาลเสือป่า เป็นต้น
ปัจจุบันพระราชวังสนามจันทร์บางส่วนอยู่ในความดูแลรับผิดชอบของมหาวิทยาลัยศิลปากร และจังหวัดนครปฐม เปิดให้เข้าชมทุกวัน ปิดวันหยุดนักขัตฤกษ์ ตั้งแต่เวลา ๐๙.๐๐-๑๖.๐๐ น. (ปิดขายบัตร ๑๕.๓๐ น.) อัตราค่าเข้าชม คนไทย ผู้ใหญ่ ๓๐ บาท เด็ก ๑๐ บาท พระภิกษุ สามเณร แม่ชี นักศึกษา ๑๐ บาท ชาวต่างประเทศ ๕๐ บาท โทร. ๐ ๓๔๒๔ ๔๒๓๗, ๐ ๓๔๒๔ ๔๒๓๖-๗, ๐ ๓๔๒๔ ๔๒๓๖-๗ โทรสาร ๐ ๓๔๒๔ ๔๒๓๕