« Intérieurement, l'appareillage de quelques voûtes faisait honneur à la tradition des Franque et le décor était recherché. » Le château contenait 4 grands appartements de maître au rez-de-chaussée et 22 appartements de maître au premier étage et dans les attiques. Selon le baron de Frénilly : « Les appartements étaient si complets que j'avais au second une grande chambre à coucher à deux fenêtres avec alcôve, deux garde-robes, une chambre de domestique et un très joli cabinet. ».
Dufort de Cheverny, ami de Tavernier de Boullongne de Préninville, fut fréquemment l'hôte du château de Magnanville qu'il évoque dans ses célèbres Mémoires : « Le château, des plus magnifiques, avait en bas sept salons, plus beaux les uns que les autres, et au moins cinquante appartements tous bien meublés. Ceux du grand château étaient composés d'une antichambre, une chambre à coucher, un salon, des cabinets, et tous les logements nécessaires pour les domestiques. »
Le grand salon, en boiseries, était décoré de huit trophées des arts et de l'agriculture et de dessus-de-porte de Jean-Baptiste Oudry. La salle à manger était ornée de trompe-l'œil d'architecture par les Brunetti. Le grand cabinet de compagnie présentait des compositions de Charles-Michel-Ange Challe et le salon de musique les Quatre Saisons de François Boucher, variante de celles de l'hôtel du Garde-meuble. La chapelle était décorée d'un ordre dorique en pilastres.
Le théâtre fut créé par l'architecte Jean-Jacques Huvé pour le compte de Tavernier de Boullongne. « La salle de comédie était au second, rapporte le baron de Frénilly, sous un petit dôme, au milieu du château. ».
Selon Dezallier d'Argenville, le château de Magnanville avait la forme d'un rectangle flanqué de deux pavillons. Il était entièrement construit en pierre de taille, à la différence du château de La Ferté-Vidame auquel il a parfois été comparé pour la magnificence et l'ampleur. Ses longues façades comportaient dix-neuf travées, comme la façade nord du château de Sully à Sully (Saône-et-Loire), construite pour le marquis de Vianges également par François II Franque.
Du côté de l'arrivée, l'avant-corps central était embrassé dans sa hauteur par quatre colonnes ioniques et couronné d'un fronton et d'une calotte portant une terrasse.
Sur le jardin, des pilastres soutenaient au centre un attique et des vases.
Un entablement régnait au même niveau tout autour de l'édifice. « L'ensemble témoignait d'une conception indépendante et annonciatrice du style Louis XVI. »