El palacio está construido sobre una base almohadillada con gigantescos pilares dóricos que abren ventanas y balcones. La imponente balaustrada con la serie de los reyes españoles, que Carlos III rebajó para dar a la estructura un aspecto más clasicista, corona la cornisa.

La renovación de la fachada en 1973, que sustituyó algunas estatuas, reveló el diseño de Sachetti. El italiano dispuso catorce jarrones e instaló en las esquinas las estatuas de Juan Pascual de Mena y Domingo Martínez del tlatoani azteca Moctezuma II y del inca Atahualpa.

La fachada principal es la meridional, que tiene un ático sobre la balaustrada con estatuas de Felipe V y su primera esposa María Luisa Gabriela de Saboya en los extremos y Fernando VI y Bárbara de Braganza en el centro. Tres paneles sobre el ático representaban el sol del Zodiaco. El panel central se retiró para instalar el reloj, dejando sólo los dos paneles laterales. El panel central con el sol en su apogeo incluía una alegoría de la monarquía española con un castillo en altorrelieve y dos columnas de Hércules y un león. Isidro González Velázquez reutilizó las columnas y el león en la cabecera del Real Canal de Manzanares.

Carlos III sustituyó los cuatro emperadores que flanquean la portada principal por columnas toscanas que sostienen un gran balcón y los trasladó al patio central.

Juan Domingo Olivieri y su taller esculpieron más de la mitad de las estatuas del palacio de Fernando VI. Creó varios símbolos heráldicos, máscaras y figuras alegóricas en lugares oscuros.