พระที่นั่งอนันตมหาสมาคม มีลักษณะสถาปัตยกรรมแบบนีโอเรอเนสซองส์ (Neo Renaissance) และนีโอคลาสสิก (Neo classic)[10] โดยตกแต่งพระที่นั่งด้วยหินอ่อน ซึ่งสั่งมาจากเมืองคาร์รารา ประเทศอิตาลี โดยมีจุดเด่น คือ มีหลังคาโดมคลาสสิกของโรมอยู่ตรงกลาง และมีโดมเล็ก ๆ โดยรอบอีก 6 โดม รวมทั้งสิ้นมี 7 โดม โดยโดมทั้งหมดทำขึ้นจากทองแดง (ต่อมาเกิดสนิมสีเขียวขึ้นตามกาลเวลา) ขนาดขององค์พระที่นั่งฯ ส่วนกว้างประมาณได้ 49.50 เมตร ยาว 112.50 เมตร และสูง 49.50 เมตร [11]

ลักษณะของโดมมีอิทธิพลมาจากโดม วิหารเซนต์ปีเตอร์ แห่งนครรัฐวาติกัน และโบสถ์เซนต์ปอลแห่งกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ

ภายในพระที่นั่ง บนเพดานโดมมีภาพเขียนเฟรสโก เขียนบนปูนเปียก ซึ่งภาพจะติดทนกว่าภาพที่เขียนบนปูนแห้ง (ภาพจิตรกรรมไทยนิยมเขียนแบบปูนแห้ง) เกี่ยวกับ พระราชกรณียกิจที่สำคัญ ของพระเจ้าอยู่หัวรัชกาลที่ 1-6 จำนวน 6 ภาพ โดยฝีมือเขียนภาพของ นายซี. รีโกลี และศาสตราจารย์แกลิเลโอ กินี

• เพดานโดมด้านทิศเหนือ เป็นภาพพระบาทสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราชครั้งดำรงพระยศเป็นสมเด็จเจ้าพระยามหากษัตริย์ศึก เสด็จกลับจากราชการทัพที่เขมร
• เพดานโดมด้านทิศตะวันออก เป็นภาพพระบาทสมเด็จพระพุทธเลิศหล้านภาลัยและพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงอุปถัมภ์งานศิลปะ
• เพดานโดมด้านทิศตะวันตก เป็นภาพเหตุการณ์พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จประทับเบื้องหน้าพระพุทธชินสีห์ แวดล้อมด้วย พระภิกษุและนักบวชต่างชาติศาสนนิกายต่าง ๆ แสดงนัยแห่งพระราชจรรยา ที่ทรงเป็นองค์ศาสนูปถัมภกของทุกศาสนาโดยไม่รังเกียจกีดกัน
• เพดานโดมด้านทิศใต้ของท้องพระโรงกลาง เป็นภาพพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวพระราชทานอภัยทาน และทรงเลิกประเพณีทาส
• เพดานโดมด้านทิศตะวันออกของท้องพระโรงกลาง เป็นภาพเหตุการณ์พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จออกประทับ ณ พระที่นั่งบุษบกมาลาที่มุขเด็จ พระที่นั่งดุสิตมหาปราสาท เนื่องในงานพระราชพิธีบรมราชาภิเษกสมโภช เมื่อ พ.ศ. 2454
• เพดานโดมกลาง ซึ่งเป็นโดมใหญ่ที่สุด มีจารึกพระปรมาภิไธยย่อ “จปร.” ของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ที่เพดานนับจากจากใต้โดมตลอดทั้งบริเวณท้องพระโรงกลางมีจารึกพระปรมาภิไธยย่อ “จปร.” สลับกัน “วปร.” อันเป็นพระปรมาภิไธยย่อของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว