L'état primitif des intérieurs est connu par un dessin de Jean-Michel Moreau dit Moreau le Jeune (voir une reproduction au début de l'article) représentant le souper offert à Louis XV par Madame du Barry pour l'inauguration du pavillon. Il est connu également par les gravures de Ledoux.
Madame du Barry avait commandé à Jean-Honoré Fragonard une suite de quatre grands tableaux pour son pavillon de Louveciennes. Le peintre représenta les amours de bergers, mais les toiles déplurent à leur commanditaire, sans doute parce que celle-ci y vit la possibilité d'une allusion à sa propre situation. Elle les refusa et Fragonard les installa en 1790 à Grasse, dans le salon d'un de ses cousins, Alexandre Maubert, dont le petit-fils les vendit en 1898 au banquier John Pierpont Morgan qui les présenta dans sa résidence de Londres. Elles sont depuis 1915 l'un des fleurons de la Frick Collection de New York.
En définitive, Madame du Barry commanda à Joseph-Marie Vien une autre suite de tableaux sur le thème des Progrès de l'Amour. La manière néoclassique de Vien convenait davantage au décor qu'elle avait créé à Louveciennes.
Une partie des boiseries, sculptées par Métivier et Feuillet, ont été remontées dans l'Hôtel de Saint-Florentin (Paris) à l'occasion des transformations réalisées dans les années 1860-1870 pour Alphonse de Rothschild.
Le pavillon de Louveciennes a d'emblée été considéré comme une des réalisations les plus abouties de Ledoux et l’un des archétypes du néoclassicisme.
L'entrée, en forme d'abside semi-circulaire ouverte, simplement fermée par un péristyle, reprend une disposition déjà utilisée par Ledoux dans la maison de Mlle Guimard à la chaussée d'Antin. Elle donne accès à une salle qui a la forme d'un carré flanqué de deux demi-cercles, désignée comme salle à manger et où eut lieu le souper d'inauguration. Cette salle commande elle-même une enfilade de trois salons ouvrant sur la Seine, dont le salon du Roi central.
Au sous-sol, on trouvait diverses pièces de service et la cuisine.
Des transformation notables sont intervenues au XIXe et au XXe siècles, notamment :