La conception du château de Champs intervient à une période d'innovation architecturale et en fait l'archétype de ces « petites maisons », résidences de campagne bâties à proximité de Paris pour des aristocrates ou des financiers désireux d'échapper pour un moment à la pesanteur de la cour.
Le parti initial conçu par les Bullet pour Renouard de La Touanne est ensuite amplifié et simplifié par Bullet de Chamblain pour Poisson de Bourvallais. Le père Bullet reste marqué par la tradition italienne, caractérisée par une abondante ornementation, tandis que son fils a complètement assimilé le style classique français.
Le plan massé du château reprend des exemples du XVIIe siècle comme le château de Blérancourt par Salomon de Brosse (1612) ou le château de Maisons par François Mansart (1643). Placé dans l'axe de la grille d'honneur, le principal corps de logis est isolé au fond d'une cour, séparée de la route par un court fossé enjambé par un saut-de-loup. De simples grilles le relient aux bâtiments des communs.
Le plan rectangulaire massé est animé sur chacune des façades principales par trois avant-corps : les avant-corps latéraux gardent la trace des ailes du château traditionnel de la Renaissance, de plan en U ; l'avant-corps central présente un salon en rotonde sur le jardin qui permet de jouir de vues plus variées tout en ménageant un effet de transparence de la cour jusqu'au parc.
Le château de Champs peut être rapproché de plusieurs constructions antérieures :
Le traitement des façades de Champs existe dans l'architecture française depuis plus d'un demi-siècle. Les deux niveaux sont d'égale hauteur. L'avant-corps central de la façade sur cour est sobrement orné d'un ordre toscan au rez-de-chaussée et de pilastres composites au premier étage. Les baies rectangulaires, en anse de panier ou en plein cintre animent les façades. La sculpture n'est présente que sur l'avant-corps central de la façade sur jardin, sans doute issu du projet de Pierre Bullet, orné au-dessus de la fenêtre centrale d'un vase flanqué de griffons là où Bullet de Chamblain avait prévu une simple agrafe en forme de tête.
Au XVIIIe siècle, le château de Champs sera imité à de nombreuses reprises, par exemple non loin de là au château de Jossigny (Seine-et-Marne) construit en 1743 peut-être par Jacques Hardouin-Mansart de Sagonne, qui présente un avant-corps central à pans coupés sur la façade côté jardin, ainsi qu'au château de Champlâtreux (Val-d'Oise), bâti entre 1751 et 1757 par Jean-Michel Chevotet qui ouvre sur le jardin une rotonde à deux niveaux d'ordres superposés.
Le duc de La Vallière apporte seulement quelques changements à la façade sur le jardin, dont témoignent les planches publiées par Mariette. Des putti remplacent les griffons au-dessus de la fenêtre centrale du premier étage tandis que le toit du pavillon central est percé d'ouvertures ovales. Une fenêtre est transformée en porte-fenêtre dans l'angle du grand cabinet, devenu un « salon chinois », avec un perron permettant un accès aisé au jardin. Au XIXe siècle, une nouvelle porte-fenêtre sur le jardin est aménagée symétriquement à celle du salon chinois.
En 1832, Jacques Maurice Grosjean écrête les combles et les remplace par un toit en terrasse à l'italienne bordée d'une balustrade d'un effet assez malheureux. Les combles à la Mansart d'origine sont restitués à partir de 1895-1896 pour les Cahen d'Anvers par l'architecte Walter-André Destailleur qui travaille à partir des sept planches gravées publiées par Mariette, non sans modifier légèrement le profil de la toiture de la rotonde. Une nouvelle porte-fenêtre sur le jardin est percée dans le boudoir en camaïeu du rez-de-chaussée.
La distribution intérieure constitue l'aspect le plus novateur du château de Champs. Elle en fait « un jalon majeur de l'histoire de l'architecture française ». Il est donné en exemple dans des recueils tels que De la distribution des maisons de plaisance et de la décoration des édifices en général (1737) et dans le Cours d'architecture civile (1771-1777), tous deux de Jacques-François Blondel, dans L'Architecture française (1727) de Jean Mariette, ainsi que dans L'Art de bâtir des maisons de campagne (1743) de Charles-Étienne Briseux.
L'aspiration de la société va alors vers la recherche de davantage de confort. Le modèle de maison de plaisance conçu en France entre la fin du XVIIe et le début du XVIIIe siècle sera ensuite imité dans toute l'Europe. On trouve à Champs le développement de plusieurs concepts déjà mis en œuvre dans des résidences antérieures :
Les pièces deviennent indépendantes les unes des autres. Comme dans les hôtels parisiens, elles sont distribuées en double profondeur, desservies par un couloir central. Les chambres ne se commandent plus. Les plans initiaux de Bullet de Chamblain montrent ainsi des dégagements à droite et à gauche du salon du premier étage, donnant directement dans les chambres à coucher. Chacune de celles-ci est pourvue d'un cabinet et d'une garde-robe. Trois petits escaliers desservent un entresol de service.
On voit aussi apparaître, pour la première fois, une salle à manger autonome. Un escalier à volée simple contigü la relie à la cuisine, située en sous-sol. Au premier étage, côté ouest, on note la présence d'une chapelle, qui n'existe plus.
Des transformations sont effectuées dans le courant du XIXe siècle, que retrace un plan levé avant 1885 par Claude Sauvageot, dessinateur d'architecture : au rez-de-chaussée, la garde-robe et le passage situé près de la salle de billard sont réunis pour créer une bibliothèque ; le boudoir en camaïeu du rez-de-chaussée, le cabinet à côté de la chapelle, encore citée dans les textes de l'époque, sont transformés en chambres à coucher. « Il est à noter que la chambre de Mme de Pompadour contient deux lits montrant bien que le château a fait l'objet, au cours du XIXe siècle, d'un certain nombre de réaménagements signalés seulement par quelques mentions. Ce siècle reste pour Champs largement méconnu. »
Du temps des Cahen d'Anvers, le boudoir en camaïeu du rez-de-chaussée devient le bureau du comte Louis Cahen d'Anvers. Des salles de bains sont installées dans les garde-robes. Une autre, pour Monsieur, est aménagée dans les sous-sols où elle a été conservée. La chapelle est transformée en chambre à coucher.
Le décor d'origine n'est pas entièrement documenté mais des dessins conservés à Stockholm permettent de se faire une idée de certaines boiseries dessinées par Bullet de Chamblain, notamment celles du salon du premier étage. « Le décor reste dans la tradition de la fin du XVIIe siècle avec de grands pilastres, comme ceux du salon d'assemblée. » Les boiseries du salon chinois – peintes à une époque ultérieure – ainsi que celles de la salle à manger sont également de Bullet de Chamblain et se situent dans la tradition décorative de Jules Hardouin-Mansart et des réalisations de Robert de Cotte pour le château de Versailles et le Grand Trianon, vers 1700.
Le duc de La Vallière fait mettre au goût du jour les décors, essentiellement dans les chambres, le boudoir et le cabinet. Au rez-de-chaussée, dans le salon chinois, les lambris de hauteur dessinés par Bullet de Chamblain sont peints de chinoiseries par Christophe Huet dans les années 1740. Celui-ci décore également le boudoir voisin, dans un camaïeu bleu de même inspiration.
C'est sans doute la marquise de Pompadour, locataire du château pour une brève période, qui fait exécuter les superbes boiseries de la pièce dite aujourd'hui « chambre d'honneur », au décor de palmiers, colombes et paons au milieu de rinceaux qui débordent de la corniche pour se déployer sur le plafond, dans l'esprit des réalisations de Jacques Verberckt et Jules-Antoine Rousseau.
Sous le Second Empire, certains décors intérieurs sont enrichis avec des dorures et des faux marbres. Pour les Cahen d'Anvers, Walter-André Destailleur restaure les décors en retrouvant une partie des teintes d'origine sous les couches de peinture. Il dégage ainsi le camaïeu du petit cabinet. Le monogramme LC pour Louis Cahen d'Anvers est ajouté dans la rampe de ferronnerie du grand escalier. Charles Cahen d'Anvers fait décaper les boiseries au rez-de-chaussée dans la bibliothèque et le fumoir.