В главном трехэтажном корпусе дворца выделены угловые и центральные башнеобразные объемы, увенчанные высокими кровлями (что было характерно для дворцовой архитектуры Франции этого периода). Дворец напоминает замок. Его массивные стены сплошь покрыты горизонтальным рустом. Здание облицовано камнем песочного цвета в форме монументальной кладки, что свидетельствует о влиянии архитектуры итальянского Возрождения.
Жемчужина дворца — Рубенсова галерея, посвященная любви Марии Медичи и Генриха IV.
В настоящее время во дворце размещается сенат — верхняя палата французского парламента.
К дворцу примыкает сад. Н. Карамзин в „Письмах русского путешественника“ писал:
Карамзин сетует, что сад приходит в запустение, а многие аллеи исчезли, вырублены или засохли, однако он часто пользуется
Придворцовый сад имеет в основном регулярную планировку. Здесь еще стоят вязы Марии Медичи. В центре сада расположен партер с восьмиугольным бассейном, вокруг него — плоские террасы с балюстрадами.
Сад украшен статуями (в камне запечатлены 60 знаменитых особ). Недалеко от дворца расположен фонтан Медичи, созданный де Бросом в виде стены. В этой самой стене три ниши, разделенные колоннами тосканского ордера. В нишах размещены скульптурные группы на сюжеты греческой мифологии. Вся композиция украшена сталактитами и другими декоративными элементами. Вода из фонтана течет в бассейн продолговатой формы.
Люксембургский сад очень любили поэты, писатели, художники. Так, Матисс написал „Люксембургский сад“, смело прибегая к цветовым упрощениям. По примеру Гогена он не счел нужным обращать внимание на мелкие детали и создал пейзаж из нескольких активных цветовых зон. Тем не менее в этой картине Матисса больше цвета.
А. Руссо создал картину „Люксембургский сад. Памятник Шопену“. Она писалась явно не с натуры (на ее обороте в названии, начертанном рукой художника, неслучайно содержится слово „композиция“). Возможно, Руссо хотел отдать дань уважения великому композитору, пятидесятилетие со дня смерти которого отмечалось в 1909 году, когда и создавалась картина.