در گوشه شمال شرقی باغ نیاوران، بنای کاخ نیاوران با مساحتی در حدود 9000 مترمربع در دو طبقه و یک نیم طبقه قرار دارد. عملیات احداث این بنا در سال 1337 هجری شمسی با طرحی ایرانی آغاز گردید و با وقفه ای که در ساخت آن پیش آمد در سال 1346 به اتمام رسید و در سال 1347 مورد بهربرداری قرار گرفت.

ساختمان این بنا ابتدا به عنوان محلی برای پذیرایی میهمانان خارجب در نظر گرفته شده بود اما در هنگام ساخت به عنوان محل سکونت محمدرضا پهلوی و خانواده اش اختصاص یافت. طرح این بنا از محسن فروغی است که توسط فرمانفرمائیان به مرحله اجرا در آمده است.

طرح چهارضلعی کاخ و فضاسازی داخلی آن الهام گرفته از معماری ایرانی با بهره گیری از فناوری مدرن است. تزئینات آن نیز تلفیقی از هنر پیش از اسلام و پس از اسلام است که گچبری توسط استاد عبداللهی، آینه کاری توسط استاد علی اصغر و کاشی کاری نمای خارجی توسط استاد ابراهیم کاظم پور و ایلیا انجام شده است. کف بنا از جنس سنگ گرانیت سیاه و سقف آن از جنس آلومینیوم است که از وسط باز می شود. دکوراسیون و مبلمان داخلی توسط یک گروه فرانسوی طراحی و اجرا شده است.

طبقه همکف این بنا شامل سرسرای بزرگی است که کلیه اتاق ها در اطراف آن شکل گرفته اند، از آن جمله می توان به سینمای اختصاصی، اتاق غذاخوری، سالن پذیرایی، اتاق انتظار و راهروهای فرعی و همچنین تالار آبی اشاره کرد.

در نیم طبقه این بنا اتاق کار، اتاق کنفرانس و دفتر منشی فرح دیبا و اتاق خواب لیلا و اتاق ندیمه او قرار دارد. در طبقه سوم اتاق خواب و استراحتگاه نیمروزی محمدرضا شاه و همچنین اتاق های فرزندان و ندیمه هایشان قرار دارد.