Seine derzeitige barocke Gestalt erhielt das Schloss in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts nach Umbauten und Erweiterungen, die auf Pläne Balthasar Neumanns zurückgehen und von den Architekten Albrecht Friedrich von Kesslau, dem damaligen Baudirektor am badischen Hof, und von seinem Nachfolger Wilhelm Jeremias Müller realisiert wurden. Müller hat auch den Schlossturm, der ursprünglich frei stand, an den Mittelbau angebunden und mit der charakteristischen Kuppel versehen.

Das Karlsruher Schloss ist der Mittelpunkt des von 32 Radialstraßen gebildeten Karlsruher Stadtgrundrisses, dem “Fächer”. An der „Via Triumphalis“, der Zentralachse der vom Schloss ausgehenden Strahlen, konzentriert sich die Karlsruher Bau- und Stadtgeschichte. Vom Schlossturm aus kann man die einmalige Regelhaftigkeit und Symmetrie des Stadtgrundrisses am besten erkennen.

Seit 1921 ist das Schloss Sitz des Badischen Landesmuseums. Im September 1944 wurden große Teile durch Brandbomben des Schlosses zerstört. Man entschied beim Wiederaufbau aber nur das Äußere historisch korrekt zu rekonstruieren. Das Innere wurde angepasst an die Erfordernisse eines modernen Museumsbetriebes.

Das Badische Landesmuseum ist eines der aktivsten kulturhistorischen Museen Deutschlands. Es präsentiert Kunst und historische Lebenswelten von der Ur- und Frühgeschichte über antike Kulturen, das Mittelalter und die Barockzeit bis ins 21. Jahrhundert.

Baumeister des ursprünglichen Gebäudes war Jakob Friedrich von Batzendorf. Der erste Bau wurde teilweise aus Holz errichtet und musste bereits 1746 grundlegend saniert werden, wobei die Holzkonstruktionen durch einen Neubau in Stein ersetzt wurde. Das Schloss umfasste zwei Stockwerke sowie Mansarden im Dachgeschoss, an das Corps de Logis schlossen sich lange Seitenflügel an. Der siebenstöckige Turm (51 m hoch) nördlich des Corps de Logis stand ursprünglich frei und war nur durch offene Holzgalerien mit dem Hauptbau verbunden.

Mit Beginn der Regentschaft von Karl Friedrich 1738 wurde das Schloss nach mehrfach geänderten Plänen von Balthasar Neumann durch den früheren Hofjunker Friedrich von Kesslau bis 1770 umgebaut. Auffälligste äußere Merkmale dieses Umbaus waren die größeren Fenster und Türen sowie die beiden Pavillonbauten zwischen dem Mitteltrakt und den Seitenflügeln der Anlage. Im Jahr 1785 erfuhr der Schlossturm durch Wilhelm Jeremias Müller eine Verkürzung und erhielt ein Kuppeldach.

Im Zuge der Märzrevolution wurde Großherzog Leopold 1849 vorübergehend aus dem Schloss vertrieben. Um 1900 führte der Schlosskastellan durch das Innere, auch konnten der Schlossturm, genannt „Bleiturm“, der von seiner etwa 42 m hohen Aussichtsplattform einen Rundumblick über Karlsruhe bis hin zum Schwarzwald und den Pfälzer Bergen bot, und der Marstall im Ostflügel besucht werden.

Während des Zweiten Weltkriegs brannte das Karlsruher Schloss im September 1944 durch Bombenangriffe aus. Zwischen 1955 und 1966 wurde es als Museum wiederaufgebaut. Dabei wurde nur die äußere Fassade originalgetreu wiederhergestellt. Im Inneren entstanden moderne Ausstellungsflächen. Die Schlossfassade wurde bis zum Stadtgeburtstag von Karlsruhe im Jahr 2015 umfassend saniert.

Der Schlossturm kann im Rahmen eines Besuches des Badischen Landesmuseums bestiegen werden. Im Saal unter der Aussichtsplattform wird die Geschichte der Tulpenmädchen dargestellt, die einen etwas zweifelhaften Ruf genossen.

Inneres:
Das Schloss besaß eine Reihe repräsentativer Räume und weitere, die für das Personal bestimmt waren. Die Zimmeranordnung war für die damalige Zeit üblich mit Zimmerfluchten verbunden. Bedeutende Räume waren zum Beispiel der Marmorsaal und der im Turmflügel befindliche Gartensaal. Der Thron von Baden befand sich wechselnd mit der Zeit in verschiedenen Räumen des Schlosses. Die Innenausstattung war im Barockstil eingerichtet. Vor dem Krieg konnte eine Reihe von Fotografien vor allem vom Hof-Photographen Wilhelm Kratt (1869–1949) angefertigt werden, die das ursprüngliche Aussehen festhielten.

Der Marmorsaal erhielt seinen Namen wegen der Wände, die mit Stuckmarmor verkleidet waren. Der Saal befand sich im Zentrum des Schlosses und reichte über zwei Stockwerke. Auf beiden Seiten des Saales befanden sich weitere Repräsentationsräume. Der Saal wurde für offizielle Anlässe verwendet. An der Decke befand sich ein großes Gemälde des Hofmalers Joseph Melling, das die Geburt der Venus zeigte.

1719 bis 1723 wurde im Schloss die Schlosskirche durch Hofbaumeister Johann Michael Ludwig Rohrer errichtet, die im Zweiten Weltkrieg völlig zerstört wurde. Teile des Inventars konnten gerettet werden und sind im Schloss aufbewahrt, wie der Thron von Baden und die Kronjuwelen. Eine Rekonstruktion der Prunkräume wäre auf Grund der fotografischen Dokumentation theoretisch möglich, wurde jedoch noch nicht in Angriff genommen.

Schlossgarten
Der auf der nördlichen Schlossseite, zum Hardtwald gelegene Schlossgarten wurde zwischen 1731 und 1746 im französischen Barockstil angelegt. Noch im 18. Jahrhundert ließ Großherzog Karl Friedrich Teile des Parks zum englischen Landschaftsgarten umbauen. Anlässlich der Bundesgartenschau 1967 erfolgte eine Erneuerung und Weiterentwicklung im gleichen Stil. Neben zahlreichen seltenen Baumarten finden sich hier Kunstwerke, Denkmäler und Brunnen aus den verschiedenen Epochen vom Barock bis zur Moderne. Ein Band aus 1645 blauen Majolika-Fliesen führt seit 2001 vom Schlossturm zu der am Rand des Schlossparks gelegenen Majolika-Manufaktur. 1967 wurde anlässlich der Bundesgartenschau die Schlossgartenbahn Karlsruhe in Betrieb genommen. Am westlichen Rande des Schlossgartens befindet sich der Botanische Garten Karlsruhe. Zwischen dem botanischen Garten und dem Vorplatz des Schlosses ist das Bundesverfassungsgericht ansässig.