Купольный зал, в отличие от других покоев Екатерины II в Зубовском флигеле, имеет сложную пространственную структуру. В её основе - металлический каркас обшитый деревом, общим весом более 5 тонн. Четыре мощных цилиндрических арки, украшенные кессонами, окружают небольшое пространство в центре помещения, обрамленное колоннами, которые расписаны под порфир. Над ними, на высоте около 8 метров, возвышается изящный купол, ажурно украшенный лепкой. Купол покоится на парусах, которые декорированы круглыми барельефами, изображающие древнеримских и древнегреческих богов: Минерву - богиню мудрости и войны; Фемиду – богиню правосудия, Нимезиду – богиню возмездия и Геракла – символа политического господства, победы цивилизации над варварством.

При отделке купола были использованы различные элементы гипсового декора – изысканные порезки, цветочные розетки, сложные сюжетные барельефы. Центральная часть купола украшена гипсовой розеткой и оформлена гризальной живописью на античные сюжеты. Подкупольное пространство богато декорировано гипсовыми каннелюрами нежно-розового цвета, грани которых украшены росписью в технике гризайль. В основании купола находится пояс гипсовых барельефов с морскими сюжетами на зеленом фоне – по мотивам битвы тритонов из греко-римской мифологии.

Нижняя часть купола прорезана восьмью нишами через которые в подкупольное пространство проникает дневной свет. Внутренние зоны ниш украшены декоративными росписями. Живопись иллюзорно имитирует ветки деревьев. У находящихся в Купольном зале должно было создаваться ощущение, что они не в одном из залов Екатерининского дворца в Царском Селе, а в древнеримском храме на берегу Тирренского моря. В промежутках между нишами изображены менады, античные спутницы бога Диониса. Сюжет с танцующими девушками заимствован из античных росписей в Доме Зефиры и Флоры в Помпеях, а также из лоджий Рафаэля в Ватикане.