Для расположения основного здания архитектор выбрал самую высокую точку территории мызы. К Серебряному лугу и озеру обращен северный фасад дворца, а южный, закрывая собой вход в парк, обрамляет парадную площадь, раскрываясь всей своей мощью и размерами (длина — более 270 метров) перед посетителями. Средний, центральный корпус в три этажа, исполнен в виде прямоугольника, на двух углах которого со стороны парка высятся пятигранные башни — Часовая и Сигнальная, состоящие из пяти ярусов. Со стороны парадной площади устроены входные дверные проемы в виде арок и обширный балкон по второму этажу. Название башен связано с их функциональными особенностями: на Сигнальной (левой) был установлен громоотвод, созданный академиком Эйлером; на Часовой (правой) — башенные часы. Главный корпус соединяется полуциркульными галереями, сооруженными на месте мраморной колоннады, которые примыкают к одноэтажным служебными дворам — Кухонному и Конюшенному. Углы каре завершаются восьмигранными башнями, которые на два этажа ниже башен Главного корпуса, а две из них, примыкающие к полуциркульным галереям, покрыты куполообразной кровлей. Одна из них (левая) увенчана золоченым православным крестом — в этой части дворца располагается домовая церковь, которая в результате реконструкции под руководством архитектора Бренны получила новый резной иконостас. Эти башни придали всему ансамблю целостность и завершенность. В 1796 году зодчий приступил к перестройке колоннад, причем, как следует из документов того времени, работы производились в большой спешке, и по причине острой нехватки рабочих рук к строительству привлекли солдат (гренадер) из гатчинских частей, выплачивая ежедневно по 60 копеек каждому. Тогда же служебные корпуса, служившие при графе Орлове кухней и конюшней, надстроили двумя этажами, при этом они изменили свое назначение: например, в бывших конюшнях разместили библиотеку и арсенал, куда по приказу Павла I перенесли большую коллекцию пистолетов производства многих стран Европы, различные виды оружия и оружейных принадлежностей. Кроме того, в этих зданиях появились и покои членов императорской фамилии.
В центральной части главного корпуса находились личные покои членов семьи цесаревича (позже императора) и парадные залы дворца.
Одна из особенностей Большого Гатчинского дворца заключается в том, что, образуя единый ансамбль, здание при этом состоит из отдельных изолированных частей, и его планировка лишь подтверждает это.
Отделка фасадов проработана авторами проектов очень тщательно, особенно это касается центральной части дворца, где Ринальди продемонстрировал сочетание своей любви к деталям «со свойственной, — по мнению Д.А. Кючарианц и А.Г. Раскина, — зодчему мягкой, хочется сказать — трепетной пластикой».