On entre dans le parc du château par un jardin bien entretenu, au milieu duquel est érigé un  monument, œuvre du sculpteur ségovien Aniceto Marinas, en l'honneur des héros de la guerre d'indépendance, Daoiz et Velarde. Sur la gauche se trouve la Casa de la Química, construite au siècle des Lumières et centre de recherche de Louis Proust. 

Les deux côtés du château offrent une vue splendide en contrebas, d’un côté sur la forêt du Pinarillo (où se situe le cimetière juif) et de l’autre, sur l'église de la Vera Cruz et Zamarramala. 

On arrive ensuite à un fossé profond,  couvert par un pont-levis menant à une forteresse située dans un endroit privilégié, celui-ci ayant pu être habité à l'époque des Celtes. Ce château, transformé en Alcazar (résidence royale) au XIIIe siècle, a pris son aspect gothique à l'époque de Jean II et d'Henri IV. En 1862, un grave incendie l'a pratiquement détruit, mais à partir de 1882, sous le règne d'Alphonse XII, sa reconstruction a commencé et n'a jamais cessé car le Patronat de l'Alcazar s’est chargé de restaurer peu à peu les plafonds à caissons, les frises, les retables et les murs. 

Dans la silhouette du monument, on remarque la petite tour d'Alphonse X le Sage, dans l'angle nord, d'où ce monarque étudiait le firmament, et la tour de Jean II, haute de 80 mètres, avec de beaux sgraffites et douze tourelles qui ornent son volume. Dans ses prisons étroites et froides ont passé des jours douloureux des nobles tombés en disgrâce comme Don Álvaro de Luna et d'autres personnages imaginaires comme celui de Jovellanos, Don Torcuato de « El Delincuente Honrado » (L'honorable délinquant). 

Par un escalier en colimaçon très raide, le visiteur peut atteindre le sommet de la tour, d'où l'on a une superbe vue sur la ville, ainsi que sur les quartiers de San Marcos, mais aussi sur Zamarramala et sur la carrière, d'où a été extraite une partie de la pierre utilisée pour la cathédrale. 

Autour de la cour intérieure de la place d'armes - où ont lieu régulièrement des concerts de musique de chambre -  et de la place de l'horloge, se trouvent les salles. À gauche, les salles consacrées à l'École d'Artillerie ; à droite, le Palais des Rois de Castille, qui constitue le cœur de l'édifice. Parmi les salles les plus belles, citons la Salle des Fenêtres à meneaux, la Salle de la Galère - dont le plafond à caissons a récemment été reconstruit - et la Salle du Trône, dont le plafond mudéjar remarquable provient de Urones de Castroponce (Valladolid). Il s’agit de l’œuvre de Xadel Alcalde, auteur également du plafond qui existait dans cette salle avant l'incendie. Citons aussi la Salle de la Cheminée, la Salle du Cordon, la Salle des Pommes de Pin, La Chambre Royale, le Cabinet de la Reine et la Chapelle dans laquelle on peut voir un retable de l'école castillane du premier quart du XVIe siècle de Viana de Cega (Valladolid) et un autre dédié à l’Apôtre Saint Jacques, mais aussi l'Adoration des Rois, peinte en 1600 par Bartolomé Carduccio.  

La Salle des Rois se distingue par son extraordinaire plafond à caissons, composé d'hexagones et de losanges dorés, et par sa frise originale où 52 statues polychromées représentent en position assise les rois et les reines des Asturies, de León et de Castille, de Don Pelayo à Jeanne la Folle.