พระราชนิเวศน์มฤคทายวันเป็นหมู่อาคารที่วางเรียงกันตามความยาวของชายหา แบ่งพื้นที่ออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนที่ประทับทางทิศใต้ และส่วนที่อยู่ของข้าราชบริพารทางทิศเหนือ ส่วนที่ประทับนั้น มีรั้วล้อมสามด้าน ภายในมีพระที่นั่งสามหมู่ คือ พระที่นั่งสมุทรพิมาน เป็นที่ประทับของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว พระที่นั่งพิศาลสาคร เป็นที่ประทับของสมเด็จพระนางเจ้าอินทรศักดิ์ศจี พระวรชายา และพระที่นั่งสโมสรเสวกามาตย์ เป็นท้องพระโรงและโรงละคร
พระที่นั่งที่ประทับแต่ละหมู่เป็นอาคารชั้นเดียวยกใต้ถุนสูง ประกอบด้วยห้องที่ประทับ ที่เสวย ห้องพระภูษา และห้องพักข้าราชบริพารผู้ตามเสด็จฯ แต่ละห้องวางกระจายกันให้รับลม มีชาลาเชื่อม มีหลังคาคลุมติดต่อกัน ยาวต่อเนื่องไปจนถึงศาลาลงสรงที่ริมหาด แยกฝ่ายหน้าฝ่ายในไม่ปะปนกัน ตามโบราณราชประเพณี
ส่วนที่อยู่ของข้าราชบริพารนั้น อยู่นอกรั้วส่วนที่ประทับไปทางทิศเหนือ มีแนวถนนเลียบไปตามแนวชายหาด และมีอาคารบ้านพักข้าราชสำนักฝ่ายหน้าที่ตามเสด็จฯ “โฮเต็ล” ภัตตาคาร โรงไฟฟ้า โรงรถยนต์หลวง ฯลฯ รวมทั้งสิ้น ๒๘ หลัง เกือบทั้งหมดเป็นโครงสร้างไม้มุงจาก ปัจจุบันยังคงเหลือบ้านเจ้าพระยารามราฆพ ซึ่งเป็นอาคารโครงสร้างคอนกรีตผสมไม้เพียงหลังเดียว
สถาปัตยกรรมพระราชนิเวศน์มฤคทายวัน เป็นตัวอย่างของสถาปัตยกรรมเพื่อการพักตากอากาศในช่วงปลายรัชกาลที่ ๖ เมื่อครั้งที่วัสดุก่อสร้างในพื้นที่ยังหายาก กับทั้งระยะเวลาในการก่อสร้างที่จำกัด สถาปนิกและวิศวกรจึงเลือกใช้ระบบพิกัด (modular system) ในการออกแบบ ทั้งทางราบและทางตั้ง โดยใช้แนวเสาระยะ ๓.๐๐ เมตรเป็นมาตรฐาน แต่ละช่วงเสาแบ่งผนังออกเป็น ๗ ส่วนๆ ละ ๔๐ เซนติเมตร เกิดเป็นจังหวะ ๒ : ๓ : ๒ ตอบรับกับขนาดบานหน้าต่างและประตู ช่องระบายอากาศไม้ฉลุเหนือขอบประตู ตลอดจนฝ้าเพดานห้อง ใช้ชิ้นส่วนวัสดุก่อสร้างสำเร็จรูปที่ผลิตโดยระบบอุตสาหกรรม แต่วางแผนผังห้องให้ยักเยื้องกัน มีรูปทรงหลังคาที่หลากหลาย ทำให้อาคารดูเรียบง่ายแต่ไม่น่าเบื่อ ทั้งยังมีความโปร่งเบา มีการประดับประดาแต่น้อยที่สุด ตอบรับกับความนิยมของยุคสมัย ที่เป็นรอยต่อระหว่างสถาปัตยกรรมวิคตอเรียน (Victorian Architecture) กับสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ (Modern Architecture)