Писмените източници за търновския царски дворец са оскъдни и не дават пълна представа за външния му вид и вътрешното разпределение. Въпреки това, средновековни свидетелства като „Похвално слово за патриарх Евтимий“ на Григорий Цамблак и „Житието на св. Сава“ споменават царските сгради и „топлите палати“ на Иван Асен II, а „Житието на Теодосий Търновски“ отбелязва новопостроен палат на цар Иван Александър.
Археологическите разкопки, проведени основно между 1946 и 1969 г. на хълма Царевец, разкриват, че дворецът е разположен на североизточния склон на хълма, на тераса с надморска височина около 220 м. Комплексът има неправилна елипсовидна форма с площ около 4 872 кв.м, максимална ширина 66 м и дължина 114 м. Той е изграден като самостоятелна крепост с дебели крепостни стени и множество кули, пригоден за продължителна отбрана.
В центъра на двореца се намира дворцовата църква, кръстокуполна с четири свободни подпори и два притвора, като южният притвор е открит и има галерия с тухлена настилка. За стабилността ѝ на наклонения терен е направено насипване и подпорен зид, а куполът се поддържа от четири кръстосани зида. В църквата са открити седем гроба, всички ограбени.
Главният вход на двореца е към север и е оформен с елипсовидна цилиндрична кула, пред която през втората половина на XIV век е добавен Г-образен зид с врата. Северната стена е подсилена с две бойни кули, а южният вход също е охраняван от две четиригълни кули. През XIV век западната крепостна стена е укрепена с правоъгълна кула и затворена потерна.
Жилищните и административните сгради са разположени около вътрешен двор по принципа на кръговото разполагане. Сред тях са многоделна сграда с пет помещения, използвана за канцеларии и складове, и голяма жилищна сграда с десет помещения, където са били жилищата на царската фамилия. В югозападната част е стопанска сграда с приземие и етаж, вероятно дворцова трапезария, с открити битови печи.
В западната част на двореца се намират представителните тронни палати. Първата, от времето на Иван Асен II, е двуетажна с голяма зала, където е бил царският трон и се е свиквал болярският съвет. Втората тронна палата, построена около 1360 г. по времето на Иван Александър, е едноетажна, правоъгълна с размери 16,5 на 7,9 м, в която е свикан събор против евреите.
Строителството на двореца използва ломени камъни, споени с бял хоросан, дървени греди и железни гвоздеи за укрепване. Крепостните стени са в опус емплектон с пълнеж от дребни камъни и баластра. Декоративните елементи включват бигорови блокчета, мраморни конзоли, тухли и разноцветни глинени панички. Фасадите са с начупена линия и керамопластична украса, характерна за българската архитектурна школа във византийски стил.
Дворецът е бил снабден с голямо водохранилище за събиране на дъждовна вода, което е осигурявало водоснабдяване при обсада. Около сградите е оставена незастроена площ за отбранителни цели, включително широк площад пред главния вход за посрещане на пратеничества и организиране на защитата.
През двувековния период на обитаване дворецът е многократно опожаряван и възстановяван, като запазва основния си план и архитектурен стил, свързан с местната строителна традиция. Последното разрушение е при османското завоевание през 1393 г., след което дворецът е превърнат в развалини и върху тях е изграден мюсюлмански некропол.
Намерените при разкопките предмети, макар и малко, показват, че в двореца са живели не само царската фамилия, но и боляри, както и обслужващ персонал, включително занаятчии, занимаващи се с поддръжка на облекло и снаряжение. Размерите на сградите са по-малки в сравнение с Плиска и Преслав, но сложната фасадна украса компенсира липсата на монументалност.
Принципът на разполагане на сградите около вътрешен двор, приложен в търновския дворец, е характерен и за други средновековни български феодални замъци и манастири, което показва установена архитектурна традиция през XII–XIV век.
Търновският царски дворец е важен паметник на българската средновековна архитектура и култура, който илюстрира както политическата и военна мощ на Второто българско царство, така и неговото художествено и строително майсторство.