За фигурным мостом на холме возвышается красно-белый замок с остроконечными башнями-шатрами — Большой дворец.
Это единственное здание в ансамбле, которое построили по проекту Матвея Казакова, автора Петровского путевого дворца, здания Сената в Кремле и Московского университета на Моховой. В Царицыне Казаков пытался продолжить работу в стиле Василия Баженова, однако дворец все равно нарушил первоначальную структуру: он оказался в несколько раз больше других построек. В центральной его части должны были разместиться парадные залы, в западной — покои императрицы, а в восточной — комнаты цесаревича Павла и его семьи.
Когда началась Русско-турецкая война, императрица приказала срочно завершить дворец. Казакову из-за спешки пришлось отказаться от третьего этажа, а вместо постоянной крыши здание покрыли временной кровлей. Потом Екатерина II умерла, и Большой дворец так и не стал императорской резиденцией. Уже в начале XIX столетия он начал разрушаться и зарастать зеленью, вскоре обвалились железные крыши и межэтажные перекрытия. А к началу XXI века от дворца остались лишь основные стены.
И только спустя два века, в 2005 году, дворец начали восстанавливать. Но не так, как задумывал Матвей Казаков, и не так, как хотела императрица, а посередине: башни и крышу воссоздали по первому проекту, а два этажа оставили как во втором варианте. Его реконструировали только в 2000-х годах.
Сейчас во дворце находится основная экспозиция музея. В зале «Царицынские древности» собраны все археологические находки, которые обнаружили на территории парка во время раскопок: от украшений вятичей до глиняных изразцов. Парадные Екатерининский и Таврический залы украшены в стиле XVIII века. В них можно узнать историю создания дворцово-паркового ансамбля, увидеть картины, скульптуры и сервизы времен Екатерины II. А в специальных детских залах юные посетители могут познакомиться с историей Царицына в интерактивной форме: все предметы здесь можно трогать и крутить.
В экспозиции «Царицыно Екатерины II», помимо чертежей и 3D-реконструкций, представлены видеоинсталляции о том, как строили императорскую резиденцию. Они состоят из небольших фильмов, которые режиссер Андрей Сильвестров снял на основе исторических документов. Роли в них исполнили известные актеры: Екатерину II сыграла Юлия Ауг, Василия Баженова — Павел Деревянко, а Матвея Казакова — Павел Шумский.