L’hôtel des Tournelles était situé sur le côté nord de l’actuelle place des Vosges. Au début du XVe siècle, l’ensemble du domaine s’étendait sur un énorme quadrilatère compris entre la rue Saint-Antoine, la rue des Tournelles, la rue de Turenne et au-delà de la rue Saint-Gilles qui fut percée à l’intérieur du parc du domaine. Durant l’occupation de Paris par les anglais (de 1420 à 1436), le duc de Bedford l’étendit encore par l’achat de huit arpents et demi aux religieuses de Sainte-Catherine, contre la somme de deux cent livres seize sous, prolongeant ainsi la propriété jusqu’à l’enceinte fortifiée de Paris, alors située à l’emplacement de l’actuel boulevard Richard Lenoir. Cette extension fut annulée en 1437 après le départ des anglais. L'entrée principale de l'hôtel se trouvait au fond de ce qui est aujourd’hui l’impasse Guéménée. On prétend que six mille personnes pouvaient y vivre à l’aise.
A l’image de l’Hôtel Saint-Pol, l’hôtel des Tournelles comprenait un ensemble de bâtiments répartis sur un terrain de plus de vingt arpents, une vingtaine de chapelles, de nombreux préaux, des étuves, douze galeries dont la fameuse galerie des courges construite par le duc de Bedford, ainsi nommée à cause de sa décoration de courges vertes peintes sur les murs. Sur ses combles, couverts de tuiles, étaient représentées ses armes, devises et armoiries. Le domaine comprenait aussi un labyrinthe nommé Dedalus, deux parcs plantés d’arbres, six jardins potagers et un champ labouré. La chambre du conseil était remarquable par ses ornements de la plus grande magnificence. Trois autres salles portaient le nom de salle des Écossais, salle de brique et salle pavée. Une partie de l'hôtel des Tournelles portait le nom de Logis du Roi dont la porte d’entrée était décorée d’un écusson aux armes de France, peint par Jean de Boulogne, dit de Paris. En 1464, Louis XI fit construire une galerie qui, partant de ce logis, traversait la rue Saint-Antoine pour aboutir à l'Hôtel-Neuf de madame d'Étampes. Il fit également construire un observatoire pour son médecin, le docteur Jacques Coitier. Par la suite des ménageries à l’image de celles de l’hôtel Saint-Paul furent ajoutées qui reçurent une partie des animaux qui étaient précédemment hébergés dans cette dernière. De nouveaux spécimens furent importés d’Afrique, dont des lions, ce qui valut aux enclos le nom d’hôtel des lions du Roi.
Il ne reste plus aucun vestige de l’hôtel, si ce n’est la copie d’une de ses portes qui occupe le portail sud de l'église Saint-Nicolas-des-Champs, et quelques caves enfouies sous certains immeubles du quartier.
L’Hôtel des Tournelles ne doit pas être confondu avec le Château de la Tournelle, construit au XVIe siècle sur les ruines d’une ancienne tour, et qui était situé en bord de Seine, sur le quai qui porte son nom, approximativement à l’emplacement actuel du restaurant La Tour d'Argent.