À Bellevue, Madame de Pompadour a fait réaliser des décors intérieurs du plus grand raffinement. Les deux niches du vestibule sont ornées de « la Musique » d'Étienne Maurice Falconet et de « la Poésie » de Lambert-Sigisbert Adam (Adam l'aîné) (les deux œuvres se trouvent aujourd'hui au Musée du Louvre). Le grand salon et le salon de compagnie sont ornés de boiseries de Jacques Verberckt, de dessus-de-porte de Jean-Baptiste Oudry et de trumeaux de Carle Van Loo. L'escalier est peint en trompe-l'œil par Paolo Antonio Brunetti. Au premier étage, la chapelle, située au centre, comporte un tableau d'autel de François Boucher, L'Adoration des bergers (Lyon, musée des Beaux-Arts). L'appartement du roi comprend un cabinet doré réalisé par Verberckt et Boucher.
Le mobilier du château, de style rocaille, commandé par la Marquise de Pompadour intégrera les collections royales lors de la revente du domaine à Louis XV. Mesdames Victoire, Adélaïde et Louise de France, propriétaires du château à l'époque de Louis XVI, y commanderont d'importants ensembles mobiliers à la dernière mode néo-classique. Aujourd'hui, certains meubles d'ébenisterie et de menuiserie de Bellevue sont conservés au Musée du Louvre, au Château de Versailles et au Musée des Arts décoratifs à Paris.
Par sa conception, Bellevue marque une date importante dans l'évolution du château français. Le bâtiment, de plan massé, quasiment carré, est une construction à deux étages, typique des maisons de plaisance qui deviennent alors à la mode et dont on trouvera le développement parfait au Petit Trianon. Elle comprend neuf travées en façade et six sur les côtés. Le décor quasiment identique des quatre façades, simplement couronnées de frontons triangulaires décorés en haut-relief par Guillaume II Coustou, souligne encore le caractère ramassé du bâtiment. Au premier étage, dix-huit consoles placées entre les travées portent des bustes, pour la plupart des portraits d'empereurs romains sélectionnés par Tournehem dans le magasin des marbres de Folichancourt.
De taille relativement modeste, Bellevue fait davantage penser à la maison d'un riche particulier qu'à un château royal. De fait, il a été conçu à l'origine non pas pour le Roi lui-même mais pour la marquise de Pompadour, qui souhaitait y recevoir Louis XV dans l'intimité.
À l'intérieur, on a conservé sur l'axe principal l'enfilade classique vestibule-salon, mais les pièces situées au centre des petits côtés sont orientées selon un axe perpendiculaire. Au rez-de-chaussée, le vestibule et le salon, servant aussi de salle à manger d'apparat, sont dallés de marbre. L'escalier principal est coiffé d'un lanterneau vitré. La diminution du nombre de pièces s'accompagne d'une réduction drastique des espaces réservés au service, rejetés dans les dépendances qui s'ordonnent dans un quadrilatère rejeté au sud du château. Les deux bâtiments bas édifiés de part et d'autre de la cour d'honneur, de plan ovale fermée par une grille, abritent pour celui du nord l'appartement des bains, orné de peintures de François Boucher, la conciergerie, la ménagerie et les poulaillers, et pour celui du sud un théâtre « à la chinoise », le service de la bouche, les écuries pour trente-sept chevaux, les remises et la chapelle du commun.
Dessiné par Garnier d'Isle, le parc est divisé en deux parties : l'une, au nord, s'étage habilement au-dessus de la Seine, en s'adaptant ingénieusement, par des allées courbes se croisant en X, à un terrain en très forte pente ; l'autre, au sud, au-delà de la cour, comprend deux séries de bosquets de part et d'autre d'un tapis vert. L'accès se fait selon un axe transversal est-ouest parallèle au grand côté du château.