Die Anlage des Schlosses Charlottenburg in ihrer heutigen Gestalt entstand über einen Zeitraum von mehr als 200 Jahren. Zuerst wurde 1695 bis 1699 im Stil des italienischen Barocks der zweigeschossige zentrale Mittelbau errichtet, der als Sommerresidenz der Kurfürstin und späteren Königin Sophie Charlotte diente. Nach 1701 ist zunächst das Hauptgebäude verlängert worden, außerdem kamen die beiden Seitenflügel hinzu. Die 48 Meter hohe Kuppel wurde 1710 errichtet. Insgesamt misst der Schlosskomplex eine Länge von über 500 Metern.
Durch einen Luftangriff im Zweiten Weltkrieg wurde das Schloss stark beschädigt. Ein Abriss der Ruine wurde jedoch verhindert und in den fünfziger Jahren der Wiederaufbau durchgeführt. Seit der Wiederherstellung können die historischen Räume der preußischen Könige zum Teil besichtigt werden. Im Ehrenhof steht das Reiterstandbild des Grossen Kurfürsten (1700) von Andreas Schlüter.
Im westlichen Längsflügel des Schlosses befindet sich die Große Orangerie, in der wechselnde Ausstellungen stattfinden. Der Großen Orangerie schließt sich der Langhansbau (Theaterbau) an, der das Museum für Vor- und Frühgeschichte beherbergt. Schräg hinter dem Knobelsdorff-Flügel auf der östlichen Seite liegt der Schinkel-Pavillon mit Gemälden, Skulpturen und kunstgewerblichen Gegenständen aus der Zeit Karl Friedrich Schinkels (1781-1841), darunter auch eigene Werke des Malers und Architekten. Der auf der rückwärtigen Seite gelegene, ausgedehnte Schlossgarten bildet ein beliebtes Ausflugsziel.
Gegenüber dem Schloss, im westlichen Stülerbau, ist die Sammlung Berggruen “Picasso und seine Zeit” untergebracht. Unmittelbar neben dem westlichen Stülerbau befindet sich das Bröhan-Museum. Die dort ausgestellte Sammlung des Kunstsammlers Karl H. Bröhan zeigt Kunsthandwerk, Möbel, Industriedesign und Gemälde von 1889 bis 1939. Im östlichen Stülerbau auf der anderen Seite der Schloßstraße ist die Sammlung Scharf-Gerstenberg mit Werken bedeutender Surrealisten zu sehen.