نقشه اصلی کاخ بنا بر تداوم اصول معماری کاخی که در دورۀ هخامنشیان گسترش یافته بود، دارای دو مجموعه معماری جداگانه، اما وابسته به هم اداری و مسکونی است. کاخ اداری به تقلید از اسلوب اشکانی به ایوانی باز و بزرگ ختم می‌شود، اما این ایوان به سرسرای گنبددار بزرگی می‌رسد که آن را از معماری هخامنشیان و اشکانیان متمایز می‌کند. اتاق پذیرایی اصلی، تالار بار و تختگاه پادشاه بود.
سرسرای چهارگوش کاخ با گنبدی استوار که طاق‌بندهای سه‌کنج آن را می‌پوشاند، نوآوری اصلی معماران ساسانی را می‌رساند.
تقریباً در تمامی نقشه‌هایی که ساسانیان پس از کاخ فیروزآباد برای ساختن کاخ کشیدند، مثلاً کاخ ساسان در سروستان، این سرسرای گنبددار وجود دارد. پس از ساسانیان نیز، تداوم این اصول را می‌توان در طرح مسجدها دید.
ساخت بنا در پیروی از سنت‌های دیرپا و پابرجا که براساس قابل دسترسی بودن مواد و مصالح محلی شکل گرفته بود، با لاشۀ سنگ و ملاط سنگ گچ انجام گرفته‌است.
درون و بیرون بنا با گچ اندود پوشانیده شده، تا حالت خام و خشن ساختمان پنهان بماند. با شکستن نمای بنا از راه تو نشسته کردن ساختمان و گچ‌بری‌های پیش آمده، حالت سایه‌روشن ایجاد می‌شد که از یک‌نواختی دیوارهای درونی بدون در و پنجره جلوگیری می‌کرد.
از آرایش درون کاخ، چیز چندانی باقی نمانده‌است. به نظر می‌رسد که ستون‌ها را پیکره‌مانند می‌کردند و گچ‌بری‌های ظریف قرنیزها نیز با سرمشق از قرنیزهای سنگی تخت جمشید انجام گرفته‌اند.
تحولات جزئیات نقشه و ساختمان کاخ اردشیر در فیروزآباد را که شامل ایوان و اتاق گنبددار می‌باشند، در بسیاری از کاخ‌های ساسانی پس از آن می‌توان دید. اگرچه که مواردی مانند کاخ تیسفون که به احتمال زیاد توسط شاپور یکم (۲۴۱-۲۷۲ میلادی) ساخته شده بود و کاخ شاپور در شهر بیشاپور هم در نقشه و هم در آرایش وابسته تاثیرات اشکانی و هلنیستی هستند.
برخی پژوهشگران اهمیت کاخ اردشیر را همپای تخت جمشید می‌دانند، چرا که اردشیر در این کاخ به تخت نشست. کاخ اردشیر در سال ۱۳۱۰ در فهرست آثار تاریخی کشور به ثبت رسید و در حال حاضر برای ثبت در آثار جهانی نامزد شده است.