พระตำหนักภูพิงคราชนิเวศน์ มีลักษณะเป็นแผนผังแบบเรือนไทยภาคกลางที่เรียกว่า “เรือนหมู่” มีรูปแบบสถาปัตยกรรมเป็นไทยประเพณีประยุกต์ ก่ออิฐถือปูน ยกพื้นสูงหลังคาทรงไทย ภายในประกอบไปด้วยท้องพระโรง ห้องเสวย ห้องบรรทม และห้องสรง และส่วนที่ประทับสำหรับพระราชอาคันตุกะ โดยมีเฉลียงใหญ่ และพลับพลาหอนกเป็นที่ประทับทอดพระเนตรทัศนียภาพของเมืองเชียงใหม่ ชั้นบนเป็นที่ประทับ ชั้นล่างเป็นที่อยู่ของมหาดเล็ก และคุณข้าหลวง ออกแบบแปลนโดยหม่อมเจ้าสมัยเฉลิม กฤดากร สถาปนิกพิเศษ กรมศิลปากร ออกแบบรูปด้านโดยหม่อมราชวงศ์ มิตรารุณ เกษมศรี และทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สำนักงานทรัพย์สิน ส่วนพระมหากษัตริย์ดำเนินการก่อสร้างโดยมีหม่อมเจ้า สมัยเฉลิม กฤดากร เป็นผู้อำนวยการก่อสร้าง หม่อมราชวงศ์มิตรารุณ เกษมศรี และนายประดิษฐ์ ยุวพุกกะ จากกองสถาปัตยกรรม กรมศิลปากรเป็นผู้ช่วย และได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พลเอกหลวงกัมปนาท แสนยากร องคมนตรี เป็นผู้แทนพระองค์ ในการวางศิลาฤกษ์พระตำหนักเมื่อ วันพฤหัสบดีที่ 24 สิงหาคม พ.ศ. 2504 เวลา 10 นาฬิกา 49 นาที การก่อสร้างพระตำหนักใช้เวลา 5 เดือนก็แล้วเสร็จ จากนั้น ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้หม่อมราชวงศ์มิตรารุณ เกษมศรี เป็นทั้งสถาปนิก และมัณฑนากรออกแบบ ตกแต่ง ภายในพระตำหนัก ทั้งในส่วนที่ประทับและส่วนที่ใช้รับรองพระราชอาคันตุกะทั้งหมด โดยออกแบบให้เป็นแบบไทยประยุกต์ ดัดแปลงให้เหมาะสมกับการใช้แบบสากลมากขึ้น