พระตำหนักทับขวัญ เป็นหมู่เรือนไทย มีชานเชื่อมต่อกันหมด เช่นหอนอน 2 หอ เรือนโถง เรือนครัว หอนกอยู่ที่มุมของเรือน ใช้วิธีเข้าไม้แบบโบราณ ฝาเรือนทำเป็นฝาไม้ปะกนกรอบลูกฟังเชิงชายและไม้ค้ำยันสลักสวยงาม ออกแบบโดยพระยาวิศุกรรมศิลปประสิทธิ์ (น้อย ศิลปี) เป็นนายช่างผู้ออกแบบและควบคุมการก่อสร้างรอบ ๆ เรือนปลูกไม้ไทย เช่น นางแย้ม นมแมว ต้นจันและจำปี และพระตำหนักหลังนี้ได้รับการบูรณะเมื่อครั้งพระราชพิธีสมโภชกรุงรัตนโกสินทร์ 200 ปีพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้นเพื่อรักษาศิลปะบ้านไทยแบบโบราณ และทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้จัดการพระราชพิธีขึ้นพระตำหนักใหม่ เมื่อวันที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2454 พระองค์ได้ประทับแรม ณ พระตำหนักองค์นี้เป็นเวลา 1 คืน และเมื่อมีการซ้อมรบเสือป่า พระตำหนักองค์นี้ใช้เป็นที่ตั้งกองบัญชาการเสือป่าราบหนักรักษาพระองค์