Cet ensemble comprend un petit palais entouré de jardins de différents styles. Le palais, structure luxueuse construite entre 1762 et 1768, est situé au sud-est du Grand Trianon dans l'enceinte du château de Versailles. A l'origine, Louis XV y installa un zoo, un jardin, une école de botanique et une orangerie.

En 1762, le roi confie à son premier architecte, Ange-Jacques Gabriel, la construction d'un palais surplombant les différents jardins. Cet édifice, chef-d'œuvre de l'architecture néoclassique naissante, présente un plan carré avec quatre façades décorées dans le style corinthien. Il réunit les talents de Gabriel, du sculpteur Honoré Guibert et de plusieurs décorateurs qui ont apporté un goût raffiné à l'intérieur. Le rez-de-chaussée était utilisé pour le service, le rez-de-chaussée abritait les salles de réception et un grenier abritait les "appartements des gentilshommes". Madame du Barry, favorite de Louis XV après Madame de Pompadour, inaugure le palais en 1769.

Après la mort de Louis XV, son petit-fils Louis XVI offrit le Petit Trianon à son épouse Marie-Antoinette, qui y créa un espace personnel et intime, à l'écart de la vie de la cour. Elle y ajoute un théâtre et transforme le jardin botanique en jardin à l'anglaise. Entre 1777 et 1782, Richard Mique érige d'autres bâtiments, dont le Temple de l'Amour, un jardin alpin et un terrain de jeu équestre. Inspiré par le peintre Hubert Robert et la philosophie de Rousseau, il établit également un village rustique dans la région.

En 1867, l'impératrice Eugénie réunit une collection d'objets ayant appartenu à Marie-Antoinette en vue d'une exposition. Le Petit Trianon, classé monument historique depuis 1862 et patrimoine mondial de l'UNESCO depuis 1979, fait aujourd'hui partie du Musée national des châteaux de Versailles et de Trianon et est ouvert au public.

Le domaine tire son nom de l'ancienne villa de Trianon, acquise par Louis XIV en 1668. Parallèlement au Grand Trianon, il fut d'abord connu sous le nom de Ménagerie de Trianon ou Hermitage de Trianon avant d'adopter son nom actuel, Petit Trianon, en 1759.

Le Petit Trianon, commandé par Madame de Pompadour, n'a été achevé qu'en 1768, et elle n'a donc pas pu le voir terminé. Madame du Barry l'occupa plus tard. De plan carré de 23 mètres de côté, ses quatre façades sont ornées de colonnes et de pilastres corinthiens. Le rez-de-chaussée, accessible par les côtés sud et est en raison de la pente du terrain, était destiné au service. L'étage noble comprenait les salons de réception et l'appartement de la Reine, et les combles abritaient plusieurs appartements et la bibliothèque de Marie-Antoinette. Sous le Premier Empire, Pauline Borghèse et l'impératrice Marie-Louise remeublèrent le palais, qui fut ensuite occupé par le duc d'Orléans et son épouse.

La propriété comprend le palais du Petit Trianon, le Pavillon français, le Temple de l'Amour, le Pavillon des Fresques et plusieurs jardins, tels que le Jardin français et le Jardin anglais, ainsi que le Théâtre de la Reine. Dans le Village de la Reine, autour du Grand Lac, se trouvent plusieurs petites maisons en pisé imitant les fermes du Pays de Caux. En 2008, le Petit Trianon a été entièrement restauré grâce au mécénat de Montres Bréguet, Grand Patron du Ministère de la Culture et de la Communication.