Le anteceden unos cuidados jardines con el monumento erigido a los héroes de la Guerra de la Independencia Daoiz y Velarde, obra del escultor segoviano Aniceto Marinas. A la izquierda la Casa de la Química, construida en la época de la Ilustración y centro de investigación de Louis Proust.

A ambos lados del castillo se nos ofrecen espléndidas vistas del Pinarillo (con el cementerio judío) y la Iglesia de la Vera Cruz y Zamarramala.

Un profundo foso con puente levadizo abre paso a una fortaleza de ubicación privilegiada, posiblemente habitada desde la época celta. El castillo, convertido en Alcázar -residencia real- en el s. XIII, adquirirá su fisonomía gótica en los tiempos de Juan II y Enrique IV. Su restauración ha sido continua tras un grave incendio ocurrido en 1862 y que a punto estuvo de destruirlo definitivamente. Sin embargo, en 1882, reinando Alfonso XII, se inició su reconstrucción, ya nunca abandonada por el Patronato del Alcázar, que ha ido restaurando artesonados, frisos, retablos y muros.

En la silueta del monumento destaca la torrecita de Alfonso X El Sabio, en el ángulo norte, desde la que este monarca estudiaba el firmamento, y la torre de Juan II, de 80 m. de altura, con bellos esgrafiados y doce torrecillas adornando su volumen. En sus estrechas y frías prisiones pasaron días penosos nobles caídos en desgracia como Don Álvaro de Luna y otros imaginarios como Don Torcuato de «El Delincuente Honrado» de Jovellanos.

A través de una empinada y extenuante escalera de caracol, el visitante puede acceder a la parte superior de la torre, desde donde se divisa una bellísima vista de la ciudad, así como los barrios de San Marcos y Zamarramala y la cantera de la que se extrajo parte de la piedra empleada en la Catedral.

En el interior y alrededor del Patio de Armas -marco habitual de conciertos de música de cámara- y del Patio del Reloj se sitúan las estancias. A la izquierda están las salas dedicadas al Colegio de Artillería; a la derecha, el Palacio de los Reyes de Castilla, núcleo principal del edificio. Sobresalen por su belleza la Sala de Ajimeces; de la Galera, cuyo artesonado ha sido reconstruido recientemente; del Trono -con una llamativa techumbre mudéjar, procedente de Urones de Castroponce (Valladolid) y obra de Xadel Alcalde, autor de la que existía en la misma sala antes del incendio-; de la Chimenea; del Cordón; de las Piñas; la Cámara Regia; el Tocador de la Reina y la Capilla en la que podemos ver un retablo de la escuela castellana del primer cuarto del siglo XVI procedente de Viana de Cega (Valladolid) y otro dedicado a Santiago Apóstol, así como la Adoración de los Reyes, pintada en 1600 por Bartolomé Carduccio. 

De todas ellas, destaca la Sala de Reyes con un extraordinario artesonado de hexágonos y rombos dorados y un original friso en el que 52 imágenes policromadas y sedentes representan a los Reyes y Reinas de Asturias, León y Castilla desde Don Pelayo hasta Juana la Loca.