Il castello di Charlottenburg fu tra le residenze estive dei Grandi Elettori di Brandeburgo e del re di Prussia, venne costruito per volere di Sofia Carlotta, moglie di Federico III di Brandeburgo in stile barocco dall'architetto Arnold Nering nel paese di Lietzenburg. Dopo l'incoronazione di Re Federico I di Prussia nel 1701 e Carlotta
come Regina, il palazzo fu ingrandito dall'architetto Eosander Von Göthe. Con la morte della della regina nel 1705 Federico chiamò lo Schloss e la zona circostante Charlottenburg in sua memoria. Dal 1709 al 1712 furono aggiunti ulteriori edifici tra i quali le caratteristiche torrette e l'Orangerie.
Nel 1740 il giovane re Federico II di Prussia permise l'espansione di Charlottenburg da parte di Georg Wenzeslaus von Knobelsdorff che fece costruire l'Ala Nuova ad Est. Federico II preferì però come residenza reale e di rappresentanza il castello di Sanssouci a Potsdam. Il palazzo venne completato definitivamente sotto il regno di Federico Guglielmo II, con la nuova ala occidentale e la piccola orangerie, opera di Carl Gotthard Langhans.
Il cortile d'onore ospita la statua in bronzo del principe elettore Federico Guglielmo di Hohenzollern a cavallo, realizzata nel 1697 da Andreas Schluter in stile barocco. La statua originariamente si trovava sul ponte davanti il castello degli Hohenzollern a Mitte ma durante la guerra fu spostata a Potsdam ed affondò col traghetto che la trasportava. Venne recuperata nel 1950 per essere posta nel castello nel 1965.
L'ala destra aggiunta da Knobelsdorff nel 1704-46 ospita gli appartamenti di rappresentanza di Federico il Grande e quelli invernali del suo successore Re Federico Guglielmo II. Le stanze di Federico sono un tripudio di sfarzo rococò, mentre le stanze di Federico Guglielmo invece sono molto più essenziali, riflettendo il classicismo discreto del periodo in cui visse. Nei luoghi che costituivano il secondo appartamento di Federico II c'è qualche importante dipinto come il Ritratto della Barbarina, capolavoro di Pesne e L'imbarco per Citera di Jeanne Antoinne Watteau.
Gli Appartamenti Reali si trovano nel pianterreno del corpo centrale restaurato nel 1970. Sulla destra oltre al vestibolo c'è il Mecklenburgische Wohnung, l'appartamento dove erano accolti gli Hohenzollern del ramo Mecklenburg in cui i sovraportali sono in legno scolpito e i soffitti adornati di arabeschi. Sul lato che affaccia sul parco vi è una serie di sale lunga 140 metri che non è particolarmente interessante ad eccetto del clavicembalo bianco di Sofia Carlotta, della sala da Bagno del Re e di qualche mobile laccato.
A sinistra del vestibolo si trova invece l'appartamento di Federico I e della moglie Sofia Carlotta. Nella stanza di Federico II, rivestita di damasco giallo, c'è il suo ritratto dipinto da Wilhelm Friedrich Weidemann. Interessante è anche la Cappella Palatina di Johann Friedrich Eosander von Gothe per gli archi trompe-l'oeil e il soffitto affrescato e lo Scalone rococò che conduce al primo piano.
Al piano nobile troviamo diverse sale: la 206 in cui ci sono i ritratti di Federico il Grande realizzati in parte da Antoine Pesne; lo studio di Federico Guglielmo IV dove c'è la celebre "Veduta di Berlino" incisa nel 1688 ad opera di Johann Bernhard Schulz; la Sala ovale, che è retta da dieci pilastri corinzi; la Sala degli argenti dove c'è l'argenteria della corte degli Hohenzollern che proviene dalla Silberkammer del castello di Berlino.
La caratteristica peculiare di questi ambienti è che si tratta di "sale in infilata", ovvero comunicanti direttamente tra loro. Trionfo del rococò è la Camera della Porcellana una delle più grandi e antiche in Germania, le cui pareti sono completamente rivestite di porcellane cinesi e giapponesi di ogni foggia risalenti al Seicento e ai primi anni del Settecento. Un'altra splendida sala è la Galleria dorata, lunga 42 metri e destinata ai balli e ai ricevimenti. Altri ambienti interessanti sono la Sala Bianca, e la Galerie der Romantik, contenente numerose opere di artisti romantici tedeschi.
Il giardino del castello venne progettato da Siméon Godeau a partire dal 1697 in stile francese. Dal 1788 venne trasformato in parte in un giardino all'inglese. All'interno del giardino si trova poi il Belvedere, che è una struttura di tre piani adoperata come casa da the costruita nel 1788/89 da Carl Gotthard Langhas per il re Federico Guglielmo II e che oggi ospita anche un museo di porcellane contenente numerosi pezzi d’epoca.