Le château de Mesnières-en-Bray est considéré comme une merveille de l'architecture Renaissance, à l'image des châteaux de la Loire.
L'architecture de l'édifice subit une double influence : d'un côté, on retrouve des tours cylindriques encadrant le bâtiment principal, écho des ascendances médiévales ; de l'autre côté, on découvre un plan largement inspiré du château de Chaumont-sur-Loire. Derrière ses façades renforcées de mâchicoulis, le château abrite notamment un pavillon central dont la façade relève son élégance de pilastres grecs, de grandes croisées, de bustes et d'armoiries.
L'incendie de 2004 a ravagé les superbes vitraux de la chapelle seigneuriale d'où le feu est parti (La Guérison de l'hydropique, La Transfiguration…) qui ont explosé sous la chaleur. De même, si elles n'ont pas été brûlées, la galerie des Cerfs (XVIII siècle) (ornée d'une paroi sur laquelle sont sculptés sept grands cerfs), la salle des Quatre-Tambours (le salon de musique) et la salle des Cartes (qui trouve l'origine de son nom aux cartes des grandes villes de la région peintes à la fin du XIX siècle pour les élèves) deux pièces classées monument historique comme d'ailleurs le château lui-même, auront été détruites par les masses d'eau déversées pour éteindre l'incendie.
On été également détruit les vitraux du Cardinal, certaines œuvres de l'école de Guardi (XVII siècle), notamment celles qui ornaient les plafonds et les murs peints, inévitablement attaqués par les eaux.
Le château est entouré d'un jardin dessiné par Le Nôtre.