Dinh thự vua Mèo có ảnh hưởng kiến trúc của 3 nền văn hóa: Trung Quốc, người Mông và Pháp, do một người thợ quê gốc Nam Định thiết kế. Ngôi nhà có 4 nhà ngang, 6 nhà dọc, được chia thành tiền dinh, trung dinh và hậu dinh có 64 buồng được xây 2 tầng tường bằng đá xanh, mái vách bằng gỗ thông và ngói làm từ đất nung. Lối dẫn vào nhà được làm bằng những phiến đá hoa cương có chạm khắc nhiều hoa văn, mái nhà cong, uống lượn, mái cổng được làm bằng gỗ lợp ngói âm dương, chạm khắc tinh xảo, nhiều hoa văn.[14]

Khu Tiền dinh là nơi ở của lính canh, lính hộ vệ và nô tì. Trung dinh và Hậu dinh là nơi ở, làm việc của thành viên trong gia tộc họ Vương. Lúc ban đầu, toàn bộ gỗ được dùng trong ngôi nhà đều là gỗ thông đá. Nhưng kể từ khi trở thành tài sản của Nhà nước, tất cả các vật liệu gỗ của ngôi nhà đã bị thay đổi khoảng 60% bằng gỗ lim và gỗ nghiến.

Phía ngoài gian chính giữa có treo một bức hoành phi bằng chữ Hán do vua nhà Nguyễn Khải Định phong tặng vua Mèo "Biên chính khả phong".

Tường bảo về bên ngoài được xây cao vút, có quân lính bảo vệ nên khó có thể đột nhập từ bên ngoài, cách mỗi đoạn tường lại được bố trí các lỗ châu mai và chòi canh để bảo đảm sự an toàn cho cả khu dinh thự. Phía sau dinh thự có một bể chứa nước rất lớn có thể tích 300 m3 được xây dựng toàn bộ bằng đá, thiết kế hứng nước mưa từ trên các dãy nhà xuống. Do nằm trong vùng thường xuyên khô hạn nên ngày nay chiếc bể nước này là nguồn cung cấp nước chính cho nhân dân ở Sà Phìn.[15]