Residenza ufficiale dei Savoia fino al 1865, già Palazzo del Vescovo, fu trasformato da Ascanio Vitozzi (1584) per Carlo Emanuele I e successivamente ampliato e ristrutturato con una serie ininterrotta di interventi a cui presero parte i maggiori architetti ed artisti attivi a Torino tra Settecento e Ottocento. Dall'atrio si accede al piano nobile attraverso lo scalone d'onore, qui si trovano le sale di rappresentanza riccamente decorate con soffitti intagliati, stucchi, dorature e affreschi.
Tra gli ambienti più affascinanti, il grandioso Salone degli Svizzeri, rimodernato su disegno di Pelagio Palagi (1835-40), la Sala del Trono, la Sala del Caffé, la Camera dell'Alcova di Carlo Emanuele II, l'ottocentesca Sala da Ballo, uno degli ambienti più sfarzosi del palazzo e infine la magnifica Scala delle Forbici di Filippo Juvarra (1720).
La scala porta al secondo piano nobile, agli appartamenti nuziali dei Principi di Piemonte e dei Duchi d'Aosta: 30 camere, sgombrate e sigillate nel 1946, alla caduta della monarchia, e riaperte al pubblico nel 2007.
Nei sotterranei del palazzo sono visitabili le spettacolari cucine e i giganteschi "cantinoni". Dal cortile porticato si accede al giardino racchiuso dalle fortificazioni seicentesche. Nonostante le manomissioni, l'impianto del giardino conserva le tracce del progetto di André Le Notre (1697-1698), il geniale architetto di giardini di Luigi XIV, che prevedeva bacini d'acqua e viali disposti a raggiera.