การก่อสร้าง กรมโยธาธิการเป็นผู้ดำเนินการออกแบบภายใต้การกำกับดูแลของพระสถิตย์นิมานการ (หม่อมราชวงศ์ชิต อิศรศักดิ์) ซึ่งงานออกแบบก่อสร้างของราชการในกรมโยธาธิการในระยะแรก ทั้งหมดอยู่ในความรับผิดชอบของนายคาร์ล ซันเดรคซกี อาคิเต๊กใหญ่  และนายเปาโล เรเมดีและนายมาริโอ ตามาญโญ  เป็นผู้ช่วย  สำหรับงานวิศวกรรมนั้นมี นายคาร์โล อัลเลกรี เป็นอินยิเนียใหญ่ และนายเอมิลโย โจวันนี อูเจนโย กอลโล เป็น อินยิเนียรอง  ภายหลังนายมาริโอ ตามาญโญ  รับผิดชอบด้านสถาปัตยกรรม และนายคาร์โล อันเลกรี ดูแลด้านวิศวกรรม

               สถาปัตยกรรม  ในห้วงเวลาที่มีการออกแบบวังบางขุนพรหมนั้นสถาปัตยกรรมในยุโรปอยู่ในยุคของ การปฏิวัติอุตสาหกรรมทำให้สามารถผลิตวัสดุก่อสร้างแบบใหม่ เปลี่ยนแปลงการออกแบบ และวิธีการก่อสร้าง  ดังนั้นสถาปัตยกรรมวังบางขุนพรหมจึงเป็นโครงสร้างก่ออิฐฉาบปูน ผนังรับน้ำหนัก มีโครงสร้างหลังคาไม้เนื้อแข็ง มุงด้วยกระเบื้องว่าว หลังคาเป็นทรงมังซาร์ ซึ่งมีลักษณะเป็นหลังคาสองชั้นซ้อนกันโดยมีความลาดของหลังคาแต่ละชั้นไม่เท่ากัน หลังคาชั้นล่างมีหน้าต่างเล็ก ๆ อย่างที่เรียกว่า ดอร์เมอร์ ยื่นออกจากหลังคาห่างกันเป็นระยะเท่า ๆ กัน 
                     ตำหนักใหญ่วังบางขุนพรหมมีความสวยงามเป็นเอกลักษณ์ด้วยการตกแต่งผนังปูนปั้นอันวิจิตร  นับเป็นอาคารที่มีลวดลายประดับงามที่สุดแห่งหนึ่งในประเทศไทย ปูนปั้นเหล่านี้ล้วนเป็นลวดลายที่ได้รับอิทธิพลจากตะวันตกในสมัยต่าง ๆ กัน โดยออกแบบให้สอดคล้องกับองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรม 
                     สถาปนิกใช้สถาปัตยกรรมแบบบาโรกและโรโกโกเป็นอิทธิพลหลักในการออกแบบ ดังจะเห็นได้จากรูปลักษณะหน้าบันและผนังภายนอกอาคาร หอกลมทางด้านทิศใต้ที่มีลักษณะโค้ง และผนังด้านทิศตะวันออกเฉียงเหนือที่เป็นเส้นโค้งเว้าเข้า และนูนต่อเนื่องกัน สำหรับการวางผังเป็นไปในลักษณะสถาปัตยกรรมแบบ บาโรกและใช้ต่อเนื่องมาจนปลายสมัยศตวรรษที่ ๑๙ ส่วนองค์ประกอบที่ใช้ในการตกแต่งภายในห้องต่าง ๆ มีความคล้ายคลึงกัน โดยมีการใช้ปูนปั้นเป็นเส้นนูนตามกรอบประตูและช่องแสง ที่โดดเด่นที่สุดคือ บานประตูไม้แกะลายเส้นบนกึ่งกลางของลูกฟักไม้ ช่องแสงเหนือประตูปิดด้วยแผ่นไม้ฉลุลาย และฝ้าเพดานตกแต่งด้วยแผ่นไม้ฉลุลายและเน้นลวดลายด้วยการเขียนสีทอง พื้นภายในห้องต่าง ๆ เป็นพื้นไม้สักปูเข้าลิ้น ขัดมัน