Zu den heute noch sichtbaren Hauptgebäuden der Pfalz zählt die Königshalle (Aula regia), in der einst Hoftage und Herrschertreffen stattfanden. Die Außenwände sind bis auf die Ostwand unverändert, allerdings ist die ursprüngliche Traufhöhe von ca. 13,5 m nicht vollständig erhalten. Im Osten der Anlage sind Teile des Halbkreisbaus (Exedra) sichtbar, der aufgrund der Ausrichtung auch Heidesheimer Tor genannt wird. Hier befand sich die Toranlage, die von außen von runden Türmen flankiert wurde. Daran schloss sich der sogenannte Nordflügel an, von dem sich Mauer-reste erhalten haben.
Von der technisch anspruchsvollen Ausstattung der Palastanlage zeugt die Fernwasserleitung, die Quellwasser zur Pfalzanalage führte. Davon sind heute noch ein gemauertes Gewölbe über einem in die Pfalz mündenden Kanal am Heidesheimer Tor und das Bassin der Fernwasserleitung (Reinigungsbecken) sichtbar.
Etwa 500 m von der Aula regia entfernt, außerhalb des eigentlichen Kernareals der Pfalz, befindet sich die heutige St. Remigiuskirche, die vermutlich als Pfalzkirche genutzt wurde.
In salischer Zeit wurde neben einem bestehenden, heute
nicht mehr erhaltenen Sakralbau, die Saalkirche errichtet, die noch heute als Kirche genutzt wird. Aus staufischer Zeit (11.-13. Jahrhundert) stammt die Wehrmauer mit einer Höhe von 10,5 m, von der sich ein großer Teil erhalten hat.

Der symmetrische Grundriss aus Halbkreis und Quader ist ein Alleinstellungsmerkmal der Pfalz Ingelheim. Die Pfalzanalage weist eine Länge von 142,5 m und eine Breite von 99,5 m auf. Im Westen befindet sich die als Saalbau angelegte Aula regia. Diese Thronhalle wurde in der Form einer spätantiken Palastaula mit Apsis (Nische) und Vorhalle angelegt. Die halbrunde Apsis war möglicherweise der Aufstellungsort des Throns bei öffentlichen Regierungsgeschäften. Die Apsis wurde von einem Triumphbogen überspannt, von dem in originaler Lage ein Kämpferstein erhalten ist. Die Aula regia stellte als Hauptgebäude den architektonisch inszenierten Höhepunkt der gesamten Anlage dar. Daran schloss sich der Halbkreisbau mit einem Durchmesser von 89 m an, der die gesamte Ostseite der Palastanlage einnahm. Das 3,5 m breite Tor führte durch eine Pfeilerhalle, die mit kostbarem Marmor ausgelegt war, in den antikisierenden Säulengang. Der Halbkreisbau prägt den Grundriss der Pfalz und zeichnet sich bis heute im Stadtbild ab. Im Norden der Pfalzanlage befand sich ein 60 m langer Gebäudekomplex.

Dieser sogenannte Nordflügel wies sechs bis acht Säle auf und diente möglicherweise als Unterkunft für Gäste. Der Halbkreisbau mit angeschlossenem Nordflügel wurde von 53 Säulen getragen. Diese Säulenarchitektur verlieh dem Gebäude einen besonders repräsentativen Charakter und war vom Rhein aus sichtbar.
Ein eigener Sakralbau war für die Anlage um 800 in der Forschung lange nicht bekannt. Im Rahmen von Neugrabungen 2003/04 konnten Apsiden (halbrunde Nischen) freigelegt werden, die sich zu drei übereinander liegenden Kirchenbauten rekonstruieren lassen. Die Apsiden sind heute nicht mehr sichtbar, aber im Stadtboden markiert. In salischer Zeit wurde dieser karolingische Bau als Sakralbezirk erweitert und die Saalkirche errichtet. Diese wird bis heute, mit baulichen Veränderungen des Langhauses, als Kirche genutzt. Ein dezentrales Sakralzentrum befand sich in der heutigen St. Remigiuskirche etwa 500 m von der Aula regia entfernt.
Über eine unterirdische Fernwasserleitung wurde Quellwasser in Trinkwasserqualität aus der ca. 7 km entfernten Karlsquelle bei Heidesheim gespeist. Sie gilt als erste Fernwasserleitung des Mittelalters.

Das Bauprogramm der Pfalz Ingelheim ist im Kontext der „Karolingische Erneuerung“ zu betrachten, die schon damals mit dem Begriff „Renovatio Imperii Romanorum“ gefasst wurde und die Wiederbelebung des Römischen Reiches durch Karl den Großen meint. Dabei ging es nicht nur um die Wiederherstellung der Reichsgrenzen, sondern auch um das Wiedererlangen eines hohen kulturellen Standards. In den Augen Karls stellte die Römische Kunst den kulturellen Höhepunkt der Geschichte dar. Sein Streben nach antiken Idealen schlug sich auch in der Architektur nieder: Die Baupläne der Pfalzen in Aachen und Ingelheim spiegeln die römisch-antike Idee einer repräsentativen Idealarchitektur wider. Die mehrgeschossige Aachener Marienkirche geht beispielweise auf antike Zentralbauten wie San Vitale in Ravenna zurück, während der Grundriss der Pfalz Ingelheim von römisch-antiken Villen und Palästen inspiriert war.
Der herrschaftlichen Architektur Roms begegnete Karl der Große auf seinen Zügen nach Italien. Um sich zeichenhaft in die Tradition des Römischen Reiches zu stellen, zitierte er Elemente römischer Architektur in seinen eigenen Baukonzepten. Dabei wurden bestimmte Wesenszüge eines Bauwerks nachempfunden, und nicht etwa eine Gesamtkopie durchgeführt. Insbesondere die sogenannten Spolien, römische Bauelemente wie Kapitelle, die Karl der Große aus antiken Ruinen entnahm und in seine Pfalzen integrierte, sind ein Zeichen des vorbildhaften Charakters römischer Architektur für die karolingische Palastanlage. Als originale Bauelemente sind diese nicht nur abbildhaft zitiert, sondern reale Objekte eines machtvollen Vorbildes. Die Bauskulptur war jederzeit sichtbar und spiegelte die Repräsentationsvorstellung des karolingischen Königs wider. Um als mächtiger Herrscher wahrgenommen zu werden, demonstrierte Karl der Große seine Position nicht nur politisch, sondern auch auf kulturell-künstlerischer Ebene.

Die erhaltene Bauausstattung der Pfalz weist unterschiedliche Stile auf. Zum einen ist der Einfluss der Antike sowohl durch die Verwendung als auch Nachahmung römischer Skulptur nachgewiesen. Damit erhielt die Pfalz imperiale Züge, in denen die politischen Ambitionen Karls des Großen sichtbar wurden. Zum anderen ist die Bauskulptur auch von der zeitgenössischen, italienischen Strömung geprägt. Wieder andere Objekte weisen dagegen eigenständige künstlerische Ausprägungen auf. Der Bauschmuck wurde selbstbewusst in unmittelbarer Nachbarschaft zu antiken Elementen integriert.
Diese Diversität zeigt, dass die karolingische Architektur in Ingelheim von einer besonderen Formenvielfalt geprägt war und bewusst keinen einheitlichen Stil anstrebte. Karl dem
Großen ging es im Rahmen der Antikenrezeption nicht darum, so viel römische Bauskulptur wie möglich in die eigenen Bauwerke einzusetzen, sondern seine Herrschaft durch das römische Vorbild zu legitimieren. Die zahlreichen Künstler und Gelehrten, die er z. B. an seiner Hofschule in Aachen versammelte, wiesen ihn als fähigen, innovativen Herrscher aus.

Nach dem Tod von Karls Sohn Ludwig dem Frommen im Jahr 840 verlor die Pfalz vorübergehend ihre Rolle als Herrschaftsort. Eine Blütezeit als Fest- und Synodalpfalz erlebte Ingelheim in ottonischer Zeit. Dies liegt wohl auch in der Kindsherrschaft Ottos III. begründet, der sich hier dauerhaft niederließ.
Bauliche Veränderungen in ottonischer Zeit waren sowohl erhaltender als auch funktionaler Natur. Um die Pfalz zeittypisch zu befestigen, wurde der ursprüngliche Grundriss durch eine Wehrmauer mit Graben erweitert. Außerdem wurde der Vorgängerbau der heutigen Saalkirche im 12. Jahrhundert mit romanischem Bauschmuck ausgestattet, der heute noch sichtbar ist. Bemerkenswert ist, dass das ursprüngliche Erscheinungsbild der Aula regia über die Jahrhunderte hinweg nicht verändert wurde. Alle dort durchgeführten Maßnahmen dienten der Erhaltung der Königshalle, was die Wertschätzung der Bauleistung Karls des Großen ausdrückt.

Die erste Bodenöffnung wurde bereits 1888/89 durchgeführt. Allerdings lag diesen Arbeiten keine wissenschaftliche Systematik zugrunde. Diese setzte erst im 20. Jahrhundert ein. 1909 bis 1914 wurden Forschungsgrabungen des Deutschen Vereins für Kunstwissenschaft durchgeführt. Bauforschungen von 1909 bis 1935 lieferten eine ungefähre Kenntnis über die Größe der Pfalzanlage. Archäologische Forschungen von 1950 bis 1970 schlossen daran an und ergaben einen von den Bauforschungen abweichenden Grundriss. Zudem wurde nun zwischen drei Bauperio-den unterschieden: einer karolingischen, ottonischen und staufischen. Seit den 1990er Jahren führt die Forschungsstelle Kaiserpfalz der Stadt Ingelheim in Kooperation mit der Generaldirektion Kulturelles Erbe Rheinland-Pfalz archäologische Forschungen durch. Diese lieferten neue Erkenntnisse über die frühe Siedlungsgeschichte des Ortes. Dabei belegt ein kürzlich entdecktes Taufbecken in der St. Remigiuskirche die besondere Rolle des Ortes, die bereits in der Merowingerzeit einsetzte. St. Remigius wurde den aktuellen Untersuchungen zufolge bis zum Bau der Saalkirche in ottonischer Zeit als Pfarrkirche genutzt. Außerdem fanden hier Versammlungen statt. Weitere Forschungen zur Datierung und Nutzung laufen aktuell.