Классическое здание, и это видно по фасадам, состоит из двух частей — большей, где расположен прямоугольный зал, и меньшей, где размещен небольшой вестибюль, или Аванзал. Одноэтажное здание павильона установлено на невысоком каменном цоколе, главный вход в здание расположен со стороны острова, а противоположный фасад смотрит на воды озера, так что кажется, будто павильон парит над водой либо стал на стоянку у острова, словно большой зеленый корабль. Фасад с главным входом решен в виде четырехколонного (две пары) портика с колоннами ионического ордера. Входная двустворчатая дверь имеет над собой полуциркульное окно, словно вставленное в раму архивольта, над ним пластина с названием острова и павильона. Завершает портик классический антаблемент с фронтоном, в тимпане которого помещены скрещенные колчан со стрелами, горящий факел, роза и лавр — узнаваемые атрибуты Амура, сына Венеры. Противоположный фасад был решен так, чтобы катающиеся на гандолах могли причалить к павильону и войти внутрь через выступающую часть зала с окном-дверью, над которой помещен козырек на причудливо изогнутых кованых консолях. По краям выступа в заглублениях установлены одиночные ионические колонны. Два боковых фасада одинаковые и кроме двух больших прямоугольных окон-дверей имеют еще и по паре ложных оконных проемов. Все окна имеют завершение из ложных арок, с профильным обрамлением и фигурным выступающим замковым камнем. Большая часть стен и небольшой псевдопарапет на крыше украшены декором, напоминающим трельяжную решетку (отчего павильон и называли трельяжем), а три овальных рельефных медальона удачно дополняют оконные арки боковых фасадов. Ленточный фриз (зоофор), начинающийся на портике, обрамлен снизу астрагалом и продолжается на боковых фасадах здания, но прерывается в части, противоположной центральному входу.
Интересные, насыщенные деталями, но в то же время одноцветные фасады переходят к удивительно ярким, неожиданно красивым интерьерам Главного зала. Этот прием будет повторен и многократно усилен в другом павильоне — Березовом домике, знакомство с которым у нас еще впереди. Небольшой Аванзал решен в простом стиле и призван «вводить в заблуждение» посетителей относительно убранства павильона Венеры, но когда распахиваются высокие двери, ведущие в Главный зал с великолепной нарядной отделкой, то сомнений в красоте и совершенстве этого садового сооружения уже не остается.
Длина наполненного светом от больших окон-дверей зала составляет около десяти метров, ширина — восемь. Парные окна боковых стен и дополнительное окно в торце помещения в летнее время, когда они открыты, создают незабываемое впечатление от окружающей воды, по которой павильон, кажется, плывет, словно корабль. В.К. Макаров писал в 1921 году: «…радостную картину представляла внутренность павильона, когда бывали открыты двери на озеро и солнце, отраженное водой, заливало зал, освежаемый струями фонтанов». Освещенность многократно усиливают зеркала, находящиеся в простенках срезанных углов помещения, увеличивается глубина зала, расширяются его границы.
Фонтаны, о которых писал первый смотритель музея, в настоящее время не действуют, хотя четыре мраморных водных сооружения и украшают в наши дни интерьеры павильона. В небольших круглых бассейнах, расположенных по оси окон, на высокой ножке высятся чаши, из которых через подведенный снизу водопровод струилась когда-то вода. Во времена Павла эти фонтаны были деревянными, покрашенными краской под мрамор, а в 1884 году их заменили на каменные, более прочные и долговечные.
Наборный паркет с рисунком в виде пересекающихся полукружий не только дополняет цветовую гамму интерьеров павильона, но и композиционно связан с фонтанами и декором стен и потолка.
Живописное панно в стиле гризайль с золочением занимает все пространство стен Главного зала. На желтоватом фоне изображены вазы, многочисленные растения и травы, фигурки нимф и вакханок, грозные сфинксы, античные треножники. Пространство над окнами расписано акантами, а панно над зеркалами и на откосах оконных проемов декорированы изображением колчанов, факелов, луков со стрелами.