Adını bulunduğu Anadolu yakasındaki Beylerbeyi semtinden alan saray, ilk olarak II. Mahmud zamanında (1808-1839) ahşap olarak inşa ettirilmiştir. 1851’de çıkan bir yangın sonrası yerine Sultan Abdülaziz tarafından mimar Sarkis Balyan’a bugünkü Beylerbeyi Sarayı yaptırılmıştır.

Bir külliye şeklindeki saray, kıyıdaki bir büyük ana bina ile geride setler halindeki bahçeye yayılan köşkler ve diğer yapılardan oluşmaktadır. Eski saraydan kalan Serdab Köşkü ve önündeki havuz ile tünele ilaveten Sarı Köşk, Ahır Köşkü ve Deniz Köşkleri inşa edilmiştir. Sarayın, Paşa ve Muzıka daireleri ile Geyiklik, Tavukluk, Aslanhane gibi yapıları ise günümüze ulaşamamıştır.

Mabeyn ve harem daireleri ile zülyecheyn mekânlarından oluşan ana bina bir bodrum üzerine iki katlıdır. Sarayın güneyi mabeyn, kuzeyi harem olarak düzenlendi ve girişleri ayrı tutulmuştur. Dıştan dikdörtgen bir kütle teşkil eden binada simetrik ve aksiyal cepheler, iki uçtaki giriş ve çıkmalarla hareketlendirilmiştir. Cephelerdeki üçlü pencere düzenlemesi ile birlikte kemerler, alınlıklar, kat silmeleri ve sütunlar gibi yapısal ögeler batının eklektik üslubunu yansıtmaktadır. Dışta batılı bir anlayışı ortaya koyan yapının iç planlamasında geleneksel orta sofalı şema vardır. Konumu, işlevi ve düzenlenişi ile sarayın merkezi niteliğindeki zülyecheyn mekânları bu plan şemasının en belirgin olduğu yerlerdir. Bunlardan, Havuzlu Salon olarak adlandırılan alttaki, ortasında büyük mermer havuzu ile divanhane geleneğini yansıtmaktadır. Üstteki Mavi Salon ise adını mavi stukolu sütunlarından almaktadır. Bezemlerde, dıştaki neoklasik ağırlıklı seçmeci üslubun yerini oryantalist bir historisizm almaktadır. Mağrip kökenli sarı, kırmızı ve mavi renkli moreks motifler ve sütun başlıklarından oluşan bu oryantalist yaklaşım Havuzlu ve Mavi salon ile birlikte Mabeyn kısmında yoğunluk kazanmaktadır.

Sarayın tamamlayıcısı niteliğindeki deniz köşkleri, rıhtım duvarının iki ucunda yer almaktadır. Biri harem diğeri mabeyne ait olan bu küçük köşkler duvarın ayırıcı etkisini kırarak saray bahçesi ile deniz arasında bir bağ kurmaktadır. Poligonal kütle ve revaklı ön mekânlarıyla birer kameriye görünümündeki deniz köşkleri, çadır şeklindeki örtüsü, atnalı kemer biçimli pencereleri ve doğulu egzotik tavan bezemeleriyle oryantalist historisizmin en çarpıcı örneklerini sunmaktadır. Dördüncü sette, büyük havuzun hemen gerisinde yer alan ve adını kaplamalarından alan Mermer Köşk, kısmen sete gömülü olduğu için Serdab Köşkü olarak da adlandırılmaktadır. Dışta, II. Mahmud döneminin ampir üslubunu yansıtan köşkte, geleneksel Türk evlerinin orta sofalı plan şeması kullanılmaktadır. Oval mermer havuzu ve duvarlarındaki selsebilleriyle dikkati çeken salonu, doğulu ögelerin batılı bir yorumla biçimlenişinin özgün bir sentezini ortaya koymaktadır. Adını renginden alan Sarı Köşk setin kuzey ucunda yer alıyor. Bir bodrum üzerindeki iki katlı köşk, mimari ve süsleme özellikleriyle ana binayla bir bütünlük teşkil etmektedir. Ortadaki bir giriş ve salon ile yanlardaki iki odadan oluşan sofalı plan şeması burada dıştan haçvari bir kılıf içerisine almaktadır. Cephe düzenlemesinde eklektik üslup görülürken iç mekân süslemesinde geleneksel ögelerin de katıldığı oryantalist bir yaklaşım hâkimdir. Havuzlu setin güneyinde Ahır Köşkü bulunmaktadır. İşlevine göre planlanan köşkün, poligonal çıkma yapan köşk niteliğindeki kütlesi, soğan biçimli kemerlere binen örtüsü ve atnalı biçimli kapı ve pencereleriyle Deniz Köşkleri’ni anımsatmaktadır. İşlevi, kemer alınlıklarına işlenen koşum takımlarıyla belirtilen köşkün içerisinde atlar için ayrılan özel yerler bulunmaktadır.

Yazlık saray olarak kullanılan Beylerbeyi Sarayı bazı önemli kişilere ev sahipliği yapmıştır. Sarayın ilk önemli konuğu, Fransa imparatoriçesi Eugénie olmuştur. Sonrasında, sırasıyla Avusturya-Macaristan İmparatoru Josph, İran Şahı Nasıreddin, Karadağ Prensi Nikola ile Rus ordusu başkumandanı Grandük Nikola’da burada kalmıştır. Tahttan indirildikten sonra Selanik’e sürülen II. Abdülhamid, Balkan Savaşı nedeniyle Beylerbeyi Sarayı’na getirilmiş ve ölümüne kadar burada kalmıştır. Cumhuriyet döneminde, İran şahı Rıza Pehlevi burada ağırlanmış, Atatürk’te 1936’daki Balkan Oyunları Festivali sırasında bu sarayda kalmıştır. Saray 1985’ten beri müze saray olarak hizmet vermektedir.