Holešovský zámek je volně stojící čtyřkřídlá dvoupatrová dvoutraktová budova s mansardovou střechou, která obestupuje obdélníkové nádvoří. Z nároží jsou vysunuty šestiboké věžice převyšující budovu o jedno patro. Zámek obklopuje hluboký vyzděný vodní příkop, původně překlenutý dvěma mosty. Ty vedly ke vchodům do budovy v ose hlavního a zahradního průčelí. Z příkopu se zvedá šikmá podnož stavby ukončená masivním kamenným podvalkem.
Vnější průčelí člení v přízemí maltová rustika a nízká obdélníková okna s lištovými šambránami. Přízemí odděluje od pater plochý kordon, nad ním podložené rámující lizény dosahující k mohutné podstřešní římse s pergamským kladím. Ve výplních obdélníkového okna s profilovanými nahoře zalamovanými šambránami (v zalomení kapky) a s vpadlými parapetními výplněmi. V 1. patře se nad okny střídají trojúhelníkové a segmentní fronty, v 2. patře jsou pouze rovné úseky nadokenních říms.
Uprostřed vstupního průčelí se nachází trojosý rizalit, naznačený pouze příčně rýhovanými lizénami, završený nízkým štítem. Do něj byl dodatečně zasazen znak Bruntálských z Vrbna. Před vjezdem do budovy je balkónový portikus s dvěma dvojicemi toskánských sloupů a se zábradlím z hranolovitých kuželek. Za portikem (na bocích vstupy pro pěší) je trojlodní pilířová síň, zaklenutá křížově mezi pasy.
Členění dvorních fasád je obdobou exteriéru, vertikální lizény tu však vystřídal velký pilastrový řád (římsové hlavice nesou úseky dórského kladí, zapojené do vyložené podstřešní římsy). V přízemí obíhá chodba zaklenutá valeně s dotýkajícími se výsečemi. Je otevřena do nádvoří půlkruhovými arkádami na masivních hranolových pilířích. V patrech se nachází stejné chodby, které měly na kratších stranách v 1. patře původně otevřené arkády (nyní zaskleny), jinde jsou osvětleny obdélníkovými okny zasazenými v mělkých arkádových výplních.
Světnice v přízemí jsou zaklenuty valeně s různě uspořádanými výsečemi. V severním křídle u průjezdu do zahrady je umístěna sala terrena, zaklenutá neckovou klenbou s výsečemi. Na její ploše se nachází bohatá štuková výzdoba se zrcadly vyplněnými malovanými výjevy z Ovidiových proměn, postavami bohyň a Múz s individualizovanými rysy (náznakové portréty Rottalů?). Ústřední kompozice představuje postavu řeckého boha Dia.
Z chodby v záp. koutě nádvoří vede vstup na zalamované hlavní schodiště do patra (schodiště pro služebnictvo na protilehlé straně). Z něj je přístupný sál v severozápadním křídle budovy, zabírající také druhé patro. Stěny sálu člení meziokenní podložené pilastry, v horní části překryté poloplastickými hermovkami. Sál uzavírá rovný podhled na fabionech s lunetami. Světnice v 1. patře mají neckové a valené klenby s výsečemi, plochu mnohých zdobí štukované rámy vymezující zrcadla s malovanými scénami z Proměn, výjevy z trojské války a z řecké mytologie (poškozeno přemalbami a restaurátorskými zásahy). Klenby nárožních bastionů zdobí mladší štukové akantové rozviliny a ovocné závěsy. Antická tématika se vyskytuje také ve 2. patře zámku na značně setřených malbách z 18. století. Výmalbu tzv. modrého salonu v zahradním křídle, jehož stěny pokrývá grisailová iluzivní architektura signoval autor: John(ann) Switak Pinx(it) 1797 13. Juni.
V době, kdy se stavěl zámek, byla založena i okrasná zahrada. Ve zjednodušené podobě, zčásti rekonstruována, se dosud rozkládá na velké ploše sv. od zámku a končí oborou. Nejvýraznější jsou v ní rozlehlé vodní plochy obnovených bazénů, při nich se nachází stromové aleje, špalíry a květinové záhony. Vázy na travnatém partetu s reliéfními maskarony, bukranii a vegetativními motivy představují jen nepatrný zlomek někdejší sochařské výbavy zahrady. Také z početných zahradních architektur, které tam stávaly, se dochoval jediný moderně upravený polygonální altán z poloviny 18. stol. Před altánem je umístěn pomník holešovského rodáka hudebního skladatele F. X. Richtera (1709 - 1789) od Jana Habarty z r. 1959.