محوطه کاخ شامل کاخ اختصاصی نیاوران، کاخ صاحبقرانیه، کوشک احمدشاهی و گلخانه ها و مدرسه اختصاصی پهلوی می باشد . 
بناهای این مجموعه متعلق به دوره های قاجار و پهلوی می باشد . ابتدا شاهان قاجار این مکان خوش آب و هوا را جهت اقامت ییلاقی خویش برگزیدند. فتحعلی شاه قاجار برای تفریحات تابستانی خود دستور می دهد تا در منطقه ای خوش آب و هوا خارج از شهر تهران که وسعتی بسیار کمتر از امروز داشت باغی مصفا بسازند. درکنار روستایی که «گُرده وی» یا «گُرده به» خوانده می شد و در نیاوران امروز قرار داشت به جای نیزاری که در همسایگی روستا واقع بود باغ را ساختند. باغ ییلاقی فتحعلیشاه که در جای نیزار ایجاد شد را «نی آوران» نامیدند که بعدا به نام «نیاوران» مشهور شد. محمد شاه نیز در همین باغ بنای کوچک و ساده ای بنا کرد و به دنبال او ناصرالدین شاه« کاخ صاحبقرانیه» را در این باغ ساخت. آخرین بنایی که در دوران قاجار در این باغ ساخته شد مشهور به کوشک احمدشاهی است .

در زمان حکومت پهلوی دوم، برخی از بناهای کوچک این باغ تخریب شد و کاخ اختصاصی نیاوران با سبکی مدرن جهت سکونت وی و خانواده اش ساخته شد .
موزه های شامل :

کاخ اختصاصی
در گوشة شمال شرقی باغ نیاوران، بنای کاخ اختصاصی نیاوران با مساحتی در حدود 9000 مترمربع در دو طبقه و یک نیم طبقه احداث شده است .

عملیات احداث این بنا در سال 1337 ه . ش، 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 بهره برداری قرار گرفت .

ساختمان این بنا ابتدا به عنوان محلی برای پذیرایی میهمانان خارجی در نظر گرفته شده بود اما در هنگام ساخت به محل سکونت محمدرضا پهلوی و خانواده اش اختصاص یافت. کف بنا از جنس سنگ سیاه و سقف آن از جنس آلومینیوم است که از وسط باز می شود. دکوراسیون و مبلمان داخلی کاخ 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 که 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 طبقة این بنا اتاق کار، اتاق کنفرانس و دفتر منشی فرح دیبا ، اتاق خواب لیلا و اتاق ندیمه او قرار دارد .

اتاقی نیز در مسیر راه پله ها قرار دارد که لباس های رسمی و نظامی و مدالها و نشان های محمدرضا پهلوی در آن نگهداری می شوند .

در طبقه سوم اتاق خواب واستراحتگاه نیمروزی پهلوی دوم و همچنین اتاق های فرزندان وی و ندیمه هایشان قرار دارد .
 

کوشک احمدشاهی
 این عمارت، اواخر دوره قاجار جهت خوابگاه ییلاقی احمدشاه در میان باغ نیاوران با مساحتی بالغ بر 800 متر در دو طبقه با سقف شیروانی بنا گردید. عمارت احمدشاهی در دوره پهلوی دوم مرمت و الحاقات جدیدی در آن صورت گرفت و مبلمان داخلی آن به طور کامل عوض شد تا به عنوان محل کار و سکونت رضا پهلوی مورد استفاده قرار گیرد .
     

طبقه همکف این عمارت شامل یک هال با حوضی از جنس مرمر در وسط می باشد و 6 اتاق و 2 راهرو در اطراف آن قرار دارند. اشیاء تزئینی از جنس نقره، برنز، عاج، چوب، هدایایی از کشورهای مختلف مثل هند، تابلوهای نقاشی و گوبلن و نشانها و مدالها در این فضا به نمایش در آمده است همچنین ویترینی شامل اشیاء و سنگهای معدنی تزئینی، سنگی از کره ماه و چندین فسیل گیاهی و حیوانی در معرض دید قرار دارند که توسط رضا پهلوی جمع آوری شده اند.

طبقه دوم عمارت از یک سالن مرکزی و ایوان سرتاسری چهارطرفه تشکیل شده است. در چهار طرف سالن مرکزی که به عنوان اتاق موسیقی استفاده می شد، قفسه چوبی ویترین دار نصب شده است.

 کاخ صاحبقرانیه
ناصرالدین در سال 1267 ه .ق دستور داد قصر نیاوران را در دو طبقه شامل شاه نشین، کرسی خانه، حمام و 50-40 دستگاه خانه هر کدام شامل 4 اتاق و یک ایوان برای زنانش بسازند. او در سی و یکمین سال حکومتش خود را صاحب قران نامید و این کاخ را «کاخ صاحبقرانیه» نام نهاد.
پس از او، مظفرالدین شاه تغییراتی در ساختمان ایجاد و قسمتی از حرمسرا را خراب کرد. فرمان مشروطیت نیز در حیاط کاخ صاحبقرانیه، توسط او امضا گردید.
در دوران پهلوی اول این کاخ برای برگزاری مراسم ازدواج محمدرضا پهلوی و فوزیه بازسازی می شود، اما به علت سرمای شدید آن سال مراسم در مکان دیگری برگزار می گردد.
       
در زمان پهلوی دوم، فرح دیبا تغییراتی اساسی در قسمتهای داخلی بنا و دکوراسیون آن ایجاد کرد و طبقه اول یعنی حوضخانه برای پذیرایی میهمانان و طبقه دوم به عنوان دفتر کار محمد رضا پهلوی مورد استفاده قرار گرفت.
از دیگر اتاقهای این کاخ می توان به کرسی خانه، چایخانه، ظرفخانه، اتاقهای بازی، بار و پذیرایی در طبقه اول و اتاقهای مذاکرات انتظار سفرا، منشی، هدایا، دندانپزشکی و استراحت محمدرضا پهلوی نام برد.
همة درها و پنجره های چوبی این بنا به شکل اُرُسی بوده و با شیشه های رنگی تزئین شده است.

موزه جهان نما
در سال 1355 شمسی، فضایی در ضلع غربی کاخ صاحبقرانیه جهت نگهداری آثار و اشیاء هنری اهدایی به فرح دیبا و یا خریداری شده توسط وی با چهار سالن در طبقه همکف و یک سالن در زیرزمین در نظر گرفته شد. بر سقف تالار میانی این موزه، نقاشی روی چوب با نقوش گل و مرغ شیراز به چشم می خورد. این موزه در بهمن ماه سال 1376 گشایش یافت.

آثار موجود در این موزه در دو بخش هنر پیش از تاریخ و آثار هنرهای تجسمی معاصر ایران و جهان به نمایش درآمده اند. از جمله می توان به آثار بجامانده از تمدن های باستانی پیش کلمبیایی، مفرغ های لرستان، سفالینه های املش، هنرهای سرخپوستان آمریکای شمالی مربوط به هزاره های اول و دوم پیش از میلاد و آثاری از هنرمندان معاصر ایرانی همچون سهراب سپهری، ناصر اویسی، فرامرز پیلارام، جعفر روحبخش، پرویز کلانتری، بهمن محصص، سیراک ملکونیان، ژازه طباطبایی، مش اسماعیل، پرویز تناولی و هنرمندان غیر ایرانی چون ژرژ براک، پل گوگن، پل کله، پابلو پیکاسو، کامیل پیسارو ، پیر آگوست رنوار ، دیگو جاکومتی، فرنان لژه و مارک شاگال اشاره کرد.