Hovedankomsten til Charlottenlund Slot sker fra Strandvejen i øst. Via Slotsalléen, der ligger på slottets midterakse, føres man op mod bygningens hovedfacade. Foran slottet er der en grusomkranset oval græsplæne. Charlottenlund Slot er en grundmuret hvidkalket bygning i to etager med mansardtag. Bygningen har høj kælder og udnyttede mansardetage. På vestfacaden har bygningen to korte sidefløje, og facaden mellem sidefløjene er elleve fag lang. Midt på bygningens sidefløje er der anbragt tresidede karnapper, der er gennemgående i alle etager. I hovedfacaden mod øst markerer tværfløjene sig som svagt fremspringende siderisalitter.
Hovedfacadens tre midterste fag markeres af en midtrisalit i tre etager, som afsluttes af en trekantfronton over mansardtaget. I taget over trekantfrontonen er en stor kantet kuppel, der afsluttes af en lanterne med spir. Slottets indgangsparti og hovedtrappe er placeret i midtrisalittens centrale fag.
Bygningens murflader er glatpudsede og hvidkalkede, mens sokkel og gesims er kalket i en lys okker. Mansardtaget er beklædt med glaserede sorte vingetegl. Kuplen er skiferbeklædt, mens lanternen er beklædt med zink. I tagfladen ses endvidere en række rundbuede zinkbeklædte kviste og i alt otte skorstene med sokkel og krave.
Vestfacadens midterfag markeres af en stor dekorativ kvist over gesimsen blandt andet med joniske pilastre, buet overkant og en krone. Det helvalmede tags hjørner er markeret med små spir. I trekantsgavlen i østfacaden er der i en cirkelåbning indsat et ur, og derover ses en krone og ornamenter.
Vinduernes størrelse varierer etagerne imellem og afspejler dermed de varierende etagehøjder i bygningen. Vinduerne er derfor højest i beletagen. Vinduerne er malet i en lysegrå nuance og sålbænke er i skiffer. I stueetagen og i beletagen er det korspostvinduer med sprosser i rammerne, mens vinduerne i kælderen og kvistvinduerne i mansardetagen er torammede.
Slottets hoveddør er en velbevaret tofløjet barok trædør med ældre hængsler. Denne er omkranset af en sandstensportal med fordakning, hvori Charlotte Amalies spejlmonogram ses under en kongekrone i relief samt en inskription med årstallet 1733. På hver side af hoveddøren er opsat ældre lygter. Hovedtrappen er udført i sandsten med støbejernsværn.
I sydfacaden er der via tofløjede havedøre adgang til haven via granittrapper med støbejernsværn. Ved østfacadens to siderisalitter samt i fløjkarnappernes midterfag ses franske altaner. Omkring altandørene er støbte indfatninger i samme gule nuance som sokkel og gesims.
Bygningens facader er udsmykket med pilastre med kapitæler. Disse repeteres i en rytme, der markerer hjørner, fløje, karnapper og midterparti i hovedfacaden.
Der løber et horisontalt bånd under bygningens pudsede gesims, der ses som et lille fremspring i den hvide murflade. Ved de ni midterste fag er kapitæler og gesimsstykker over pilastre sandsten. Ved tværfløjene er disse samt balustre og indfatninger støbte.
I det indre er den oprindelige planløsning i store træk bevaret i de ni midterste fag, som svarer til slottets oprindelige rektangulære grundplan. Bygningens to tværfløje blev tilføjet i 1880 og tilpasset den eksisterende planorganisering.
Overordnet er bygningens etager organiseret ud fra stort set symmetriske planløsninger med en orientering mod bygningens midte. I stueetagen udgøres de tre midterste fag af en smal forhal og en bagvedliggende havesal. Fra forhallen er der mod syd adgang til et trapperum, hvor husets hovedtrappe ligger. Trappen løber fra kælder til mansardetage. Over døren, der udgør overgangen mellem entre og trapperum, ses sporet af en bue. Hovedtrappen er en fireløbstrappe med kraftige mæglere, hvorimellem afstivende hvidmalede støbejernssøjler af senere udformning er indsat. Trappens vanger har profiler udvendig, og undersiden af dens løb er lukket med fyldningsplader. Der er udskårne balustre på alle fire sider.
Via hovedtrappen føres den besøgende til bygningens hovedetage, beletagen, hvis loftshøjde er højere end stueetagens. På beletagen ligger Riddersalen, som er en symmetrisk opbygget gennemgående og gennemlyst sal, der ligger placeret centralt i bygningen over entre og havesal i stueetagen. Fra salens fire symmetrisk placerede dobbeltdøre med barokke karme og fordakninger er der tilgang til etagens øvrige dele.
Bygningens to tværfløje indskriver sig i etageplanernes overordnede symmetriske orden. Fløjene er i stueetagen og på beletagen bygget op omkring et centralt rum med tresidede karnapper, der flankeres af sideværelser. I den sydlige fløj og ved den nordlige fløj løber endvidere to bitrapper fra kælder til mansardetagen. Slottets mansardetage er organiseret omkring et centralt gangforløb i bygningens længderetning, hvorfra der er adgang til mindre rum og kamre, der i dag fungerer som kontorlokaler. Fra gangen er der også adgang til tagets kuppel via en smal vindeltrappe.
Dele af det oprindelige interiør i bygningen er velbevaret. I den midterste del af bygningen, der er ældst, ses der generelt snedkerarbejde, som fx. paneler på undervægge, døre, indfatninger og skodder. Endvidere er der i flere rum lofter med dekorationer i stuk eller træskærerarbejder, samt kaminer i sandsten bemalet med oliemaling/marmoreringer. I kælderens midterste rum, der tidligere husede slottets køkken, er et ældre terrazzogulv med bort bevaret.
Især beletagens riddersal er rigt dekoreret og fremstår velbevaret. I salen er der paneler på undervægge og ved vinduer. Overvægge er beklædte med oliemalet lærred, mens loftet er et ældre stukloft med stukdekorationer og Chr. VI monogram og krone. Der er endvidere to kaminer med sandstenskarme, som er marmorerede med oliemaling foran hvilke, der ligger hvide marmorfliser. Over kaminerne hænger to store malerier af Christian VI og Sophie Magdalene.