เรือนไทยพระตำหนักทับขวัญสร้างด้วยไม้สักทอง ใช้วิธีเข้าไม้ตามแบบฉบับบ้านไทยโบราณ ฝาเรือนทำเป็นฝาปะกนกรอบลูกฟัก เชิงชาย และไม้ค้ำยันสลักเสลาสวยงาม หลังคาเดิมมุงจาก หลบหลังคาด้วยกระเบื้องดินเผา พระตำหนักทับขวัญประกอบด้วยกลุ่มเรือน 8 หลัง ได้แก่ เรือนใหญ่ 4 หลัง เรือนเล็ก 4 หลัง สร้างให้หันหน้าเข้าหากัน 4 ทิศบน ชานรูปสี่เหลี่ยม เรือนหลังใหญ่เป็นหอนอน 2 หอ (ห้องบรรทมเป็นหอนอนที่อยู่ทางทิศใต้) อีก 2 หลังเป็นเรือนโถงและเรือนครัวซึ่งอยู่ตรงข้ามกัน ส่วนเรือนเล็กอีก 4 หลังนั้นตั้งอยู่ตรงมุม 4 มุม ๆ ละ 1 หลัง ได้แก่ หอนก 2 หลัง เรือนคนใช้และเรือนเก็บของ เรือนทุกหลังมีชานเรือนเชื่อมกันโดยตลอด บริเวณกลางชานเรือนปลูกต้นจันใหญ่แผ่กิ่งก้านไว้ให้ร่มเงาอยู่กลางนอกชาน รอบ ๆ บริเวณปลูกไม้ไทย มีต้นจัน จำปี นางแย้ม นมแมว เป็นต้น (เมื่อปี พ.ศ. 2510-2511 ยังมีกระถางไม้ดัดและอ่างปลาเหลืออยู่ที่นอกชาน)

คูหาหน้าบันประดับด้วยป้านลม และตัวเหงาหน้าบันเป็นแบบลูกฟักหน้าพรหม ฝาเรือนเป็นไม้เข้าลิ้นแบบฝาปะกน พระตำหนักนี้จะมีบันไดขึ้นลง 2 บันได บันไดหน้ามีซุ้มประตูเป็นหลังคาซุ้มเล็ก ๆ ทรงเดียว กับหลังคาเรือน บันได อยู่ที่ส่วนเชื่อมต่อกันของชานระเบียงเรือนใหญ่กับเรือนเล็ก แรกเริ่มนั้นเรือนทุกหลังมุงหลังคาด้วยตับจาก และหลบสันหลังคาด้วยกระเบื้องดินเผา แต่ได้เปลี่ยนเป็นกระเบื้องดินเผาภายหลัง โครงสร้างทั้งหมดเป็นไม้ พื้นเป็นไม้สักปูตามยาวของตัวเรือนมีรอดรองรับ นอกจากนี้พระตำหนักทับขวัญนี้ยังเป็นเรือนไทยที่มีใต้ถุนสูง ใต้ถุนของตัวเรือน คนสามารถเดินลอดผ่านได้สะดวก ส่วนใต้ถุนของระเบียงและชานสามารถลอดได้แต่ไม่สะดวกนัก