Dal punto di vista architettonico la villa non venne costruita come previsto dal progetto iniziale del Frigimelica ma secondo il concetto stilistico sontuoso e monumentale dell'architetto Preti da Castelfranco che subentrò nella fase di esecuzione dei lavori seguendo il gusto francese tipico del periodo settecentesco.
La villa ha una pianta di forma rettangolare ed è costituita da due cortili interni posti simmetricamente rispetto al corpo centrale. Nella facciata centrale, ai lati dell’ingresso principale, sono disposte a coppie quattro grandi cariatidi e quattro teste reggenti trofei d’armi.
Al momento della sua costruzione, in omaggio al 114° Doge di Venezia Alvise Pisani, la villa contava di 114 stanze (oggi sono 168) e al suo interno era impreziosita da statue, stucchi ed affreschi veri e propri capolavori del Settecento e dell'Ottocento commissionati ai grandi maestri dell'epoca tra cui Tiepolo, Guarana, Canal, Crosato, Amigoni, Brustolon e molti altri.
Oggi, con una visita guidata all’interno del Museo Nazionale di Villa Pisani, è possibile ammirare affreschi, dipinti e arredi originali conservati nelle 30 sale del piano nobile.
La Sala del Trionfo di Bacco, la Sala della Villeggiatura e la Sala da Pranzo, conosciute come le “sale settecentesche”, testimoniano la vita di corte a Villa Pisani e permettono di rivivere l'atmosfera dei banchetti all'epoca della corte napoleonica (la Sala da Pranzo custodisce un servizio di piatti originali,un prezioso centrotavola in alabastro in stile neoclassico nonché vetri e ceramiche del Settecento).
Al centro dell'edificio di Villa Pisani si trova la Sala da Ballo con il soffitto affrescato dalla “Gloria della Famiglia Pisani”, uno dei capolavori del Settecento veneziano realizzato tra il 1760 ed il 1762 da Giambattista Tiepolo assieme al suo fido collaboratore Giovanni Mengozzi Colonna.
All'estremità della facciata di Villa Pisani posta sul lato del fiume Brenta sono visitabili alcune stanze realizzate nel corso dell'Ottocento in stile Impero. Particolarmente interessante è l’Appartamento Napoleonico, ricco di tesori tra i quali il grandioso letto a baldacchino sormontato dall’iniziale dell’imperatore ed i preziosi mobili in stile Impero realizzati appositamente per la villa.