Küçüksu Kasrı, özellikle XIX. yüzyılda inşa
edilen Osmanlı yapılarının pek çoğunda imzası bulunan Balyan ailesi üyelerinden Nigoğos Balyan tarafından yapılmıştır. 

Kasrın iç dekorasyonu ile düzenlemeleri ise aynı zamanda Dolmabahçe Sarayı'nın da iç mekân tasarımlarından sorumlu olan Paris Operası dekoratörü Sechan tarafından gerçekleştirilmiştir.

15 X 27 metrelik bir alan üzerinde, yığma tekniğiyle kargir olarak inşa edilen yapı, bodrum dahil olmak üzere üç katlıdır. Kiler ve mutfak olarak kullanılan bodrum kat

hizmetkârlara ayrılmış, hükümdar ile misafirlerin kullanımına tahsis edilen diğer katlar ise ortada yer alan bir sofaya açılan dört oda halinde düzenlenmiştir. 

Kasrın iç mekânları, alçı kabartmalı kalem işi süslemeli tavanlarının yanı sıra özenle döşenmiş parkeleri, Batılı tarzdaki
mobilyaları, duvarları süsleyen sanat eserleri ve değerli İtalyan mermerlerinden yapılmış şömineleriyle göz alıcı bir görünüme sahiptir.

Daha çok dinlenme konutu olması nedeniyle orijinal tasarımında yatak odası ve banyoya yer verilmeyen Küçüksu Kasrı'nın kimi bölümleri, Cumhuriyet Dönemi'nde yapılan çalışmalar esnasında bu doğrultuda yeniden
düzenlenmiş ve dekore edilmiştir. 

Kasrın denize bakan cephesi, padişahlar buraya gelirken denizyolunu tercih ettikleri için diğer cephelere oranla daha gösterişli ve zengin bir görünüme sahiptir. Bu cephede

bulunan şadırvanlı küçük havuz ve merdivenin
bezemelerinde, Barok Dönem mimari anlayışı
benimsenmiştir. 

Kasrın dış süslemeleri, genç yaşta vefat eden ağabeyi Sultan Abdülmecid'den sonra tahta geçen Sultan Abdülaziz tarafından fazla sade bulunduğu için yeniden düzenlenmiştir.