کاخ ساسانی تپه حصار حدود ۲۰۰ متری جنوب غربی تپه حصار قرار دارد و از آن جز چند پاره دیوار و بقایای تکه تکه شده کف گچی‌اش چیزی به جای نمانده است. بر اساس کاوش‌های باستان‌شناسان، این بنا به دو بخش اداری و غیراداری تقسیم می‌شود. این ساختمان با دیوارهای خشتی ساخته شده است و برخی از بخش‌های آن شامل ایوان، تالار ستون‌دار، اطاق‌ها، حیاط، راهروها و... می‌شود. برخی تزیینات گچی به‌کار رفته در بنا مانند ستون‌ها، پلاک‌ها، پلاک‌های گراز، گوزن نر و ماده، پلاک‌های انسان، مجسمه‌های گچی به شکل سر حیوانات و غیره، اکنون زینت‌بخش موزه ملی کشور شده‌اند. از دیگر تزیینات کاخ می‌توان به نقاشی‌هایی اشاره کرد که در آن‌ها از رنگ‌های ساده آبی و قرمز مایل به ارغوانی استفاده شده است.