Sanssouci est petit, le corps de logis n'est qu'une enfilade de dix pièces sur un étage flanqué de deux ailes pour les communs. Le croquis de Frédéric II datant de 1745 (voir illustration ci dessus) montre que von Knobelsdorff en est plus l'exécutant que l'architecte à part entière.
Ce n'est pas une coïncidence si Frédéric choisit le style rococo pour l'architecture de Sanssouci. Ce style léger, presque éthéré, convient parfaitement au projet de palais d'été, de résidence campagnarde et de retraite que le souverain caresse. Le style rocaille (comme il est connu en France) ou rococo est apparu au début du XVIIIe siècle et joue pour l'art baroque le rôle que le maniérisme a joué pour l’art de la Renaissance : il abandonne le sévère pour le précieux, le grandiose pour l'intime, la rigueur esthétique pour la grâce artistique, il préfère le décor à la structure. Aux peintures mythologiques succèdent les « scènes galantes », aux épopées héroïques, les romans libertins. Voltaire résume fort bien son temps en versifiant :
Le bâtiment occupe tout la longueur de la terrasse supérieure. La monotonie de la façade est rompue par un pavillon central arrondi dont le dôme s'élève au-dessus des toits. Sur le linteau, des lettres de bronze doré épellent le nom du palais. Les deux ailes des communs sont cachées côté jardin par des haies d'arbres qui se terminent chacun en une gloriette en treillis richement décorées d'ornements dorés.
La façade est ornée d'atlantes et de cariatides qui soutiennent le linteau, elles sont regroupées par paire entre les fenêtres. Exécutées en calcaire, ces sculptures des deux sexes représentent les Ménades (Bacchantes chez les Romains), les compagnes du dieu du vin dont les vignes en espalier, sur les terrasses en contrebas, lui sont redevables. Elles proviennent de l'atelier de Friedrich Christian Glume, qui a également réalisé les vasques sur la balustrade et les groupes de chérubins au niveau du dôme.
La façade nord contraste avec la légère exubérance de celle du sud : une colonnade semi-circulaire formée de deux rangées de colonnes d'ordre corinthien étend ses bras depuis le bâtiment principal pour accueillir le visiteur et définir les limites de la cour d'honneur. Là encore, une balustrade décorée de vasques décore le corps de logis principal.
Les communs, de chaque côté de celui-ci servent à héberger la domesticité d'un monarque du XVIIIe siècle même lorsqu'il s'agit de l'accompagner dans sa « retraite ». Du temps de Frédéric, ils étaient camouflés derrière des feuillages. À l'est, proches du roi, les quartiers d'habitation des secrétaires, jardiniers et serviteurs, à l'ouest la cuisine, les étables et la remise à carrosses.
Frédéric a habité Sanssouci tous les étés jusqu'à sa mort en 1786 à la suite de quoi le palais est entré en léthargie, inhabité et vide jusqu'au milieu du XIXe siècle. En 1840, 100 ans après l'accession au trône du Grand Frédéric, son petit-neveu Frédéric-Guillaume IV et sa femme déménagent dans l'aile destinée aux invités, conservant le mobilier existant et remplaçant les pièces manquantes par d'autres de l'époque de Frédéric. Ils désirent alors restaurer la chambre de Frédéric dans son état initial mais les documents authentiques et les plans manquent pour mener ce projet à bien.
Entre 1840 et 1842, Frédéric-Guillaume IV transforme le palais de son grand-oncle sans souci, sans protocole et… sans femme. L'aile ouest des communs devient l'« aile des dames » et héberge les dames de compagnies de la reine de Prusse. Les chambres sont décorées de boiseries raffinées et de tapisseries précieuses. La restauration et la mise au goût du jour sont indispensables car si Frédéric aimait la modestie sans la pompe royale, la fin de sa vie est marquée par un quasi-ascétisme et il ne permit aucune réparation de la façade de ce palais qu'il voyait disparaître avec lui. L'aile est des communs, elle aussi agrandie d'un étage, accueille les cuisines alors qu'à l'étage résident les domestiques.