Hồ Tịnh Tâm có bình diện hình chữ nhật, chu vi gần 1500m. Trên hồ có ba hòn đảo Bồng Lai, Phương Trượng và Doanh Châu, đều là những trung tâm điểm của các kiến trúc trong hồ. Đảo Bồng Lai, ở phía nam hồ, chính giữa có điện Bồng Doanh, 3 gian 2 chái, mái trùng diêm, lợp ngói Hoàng lưu li. Điện xây mặt về hướng nam, có lan can gạch bao quanh, phía trước lại có cửa Bồng Doanh, rồi cầu Bồng Doanh nối đảo với bờ hồ phía nam. Phía đông điện Bồng Doanh có nhà Thủy Tạ Thanh Tâm, quay mặt về hướng đông. Phía tây điện có lầu Trừng Luyện, quay mặt về hướng tây. Phía bắc là cửa Hồng Cừ và một chiếc cầu cùng tên.
Cầu Hồng Cừ nối hai bờ hồ Tịnh Tâm
Trên đảo Phương Trượng, chính giữa có gác Nam Huân, quay mặt về hướng nam, 2 tầng, mái lợp ngói hoàng lưu li. Phía nam có cửa Bích tảo và cầu Bích tảo. Phía bắc đảo có lầu Tịnh tâm, xây mặt hướng bắc. Phía đông có nhà Hạo Nhiên (từ năm 1848 đổi thành Thiên Nhiên), quay mặt về hướng đông. Phía tây có hiên Dưỡng Tính quay mặt về hướng tây. Giữa hai đảo có đình Tứ Đạt nằm giữa một hệ thống hành lang mái lợp ngói gồm 44 gian, chạy nối vào cầu Bích Tảo ở phía nam và cầu Hồng Cừ ở phía bắc.
Giữa hồ Tịnh tâm có đê Kim Oanh nối liền từ bờ đông qua bờ tây. Phía đông đê có cầu Lục Liễu, 3 gian, mái lợp ngói. Phía nam, đê gắn với một hành lang dài 56 gian, ở giữa là cầu Bạch Tần. Phía nam cầu có nhà tạ Thanh Tước để thuyền vua ngự. ở đoạn cuối phía tây của hành lang lại có nhà Khúc Tạ, thông với một nhà tạ khác, là Khúc Tạ Hà Phong qua một hành lang nhỏ dựng trên mặt nước. Phía nam nhà tạ này là đảo Doanh Châu.
Hồ Tịnh Tâm mang một dáng vẻ dịu dàng đậm chất Huế
Trên các góc của đảo Bồng Lai, Phương Trượng đều có xếp đá tạo các giả sơn. Riêng đảo Doanh Châu được tạo dáng như một hòn non bộ lớn nổi trên mặt hồ. Khắp nơi chung quanh đảo Bồng lai, Phương Trượng, đê Kim Oanh và dọc bờ hồ đều trồng các loại liễu trúc và các thứ hoa cỏ lạ. Dưới hồ chỉ trồng duy nhất loại sen trắng.
Hồ Tịnh Tâm được ngăn cách với bên ngoài bằng một vòng tường gạch xây khá cao. Ở bốn mặt trổ bốn cửa: Hạ Huân ở phía nam, Đông Hy ở phía bắc, Xuân Quang ở phía đông và Thu Nguyệt ở phía tây.
Sen hồng bồng bềnh trên hồ Tịnh Tâm
Với kiểu kiến trúc cầu kỳ, tinh mỹ nhưng hết sức hài hòa với tự nhiên, hồ Tịnh Tâm được xem là một thành tựu tiêu biểu của nghệ thuật kiến trúc cảnh quan Việt Nam thế kỷ XIX. Cảnh đẹp của hồ đã tạo nguồn thi hứng và trở thành đề tài cho nhiều bài thơ, chùm thơ nổi tiếng của các vua Nguyễn như Minh mạng, Thiệu Trị, Tự Đức... Nổi bật hơn cả vẫn là bài Tịnh Hồ Hạ Hứng, nằm trong chùm thơ ca ngợi 20 cảnh đẹp đất Thần Kinh của vua Thiệu Trị. Đương thời, bài thơ này cùng với phong cảnh hồ Tịnh tâm được vẽ vào tranh gương để treo ở các cung điện.