El edificio cuenta con una planta en H, con un gran volumen central prolongado por dos alas transversales en los extremos, de las cuales la izquierda corresponde a la iglesia parroquial y la derecha se abre a modo de lonja. Ambas construcciones se rematan con una torre en el ángulo que da a la plaza.
La fachada delantera está construida en ladrillo sobre zócalo de piedra a modo de basamento abierto por los vanos que iluminan los sótanos. Presenta un cuerpo principal recorrido por pilastras toscanas, desarrolladas en toda la altura del edificio, sobre podios resaltados en el zócalo, que señalan los diferentes tramos en que se articula el muro continuo entre el extremo de la iglesia y el de la lonja. En el centro se dispone una portada abierta en arco de medio punto dovelado en piedra sillar que se abre hasta la primera planta. El conjunto se corona con una galería de óculos separados por ménsulas figuradas, esfinges, máscaras, atlantes en posiciones típicas o inesperadas con rostros gesticulantes, contraídos y atormentados, que sujetan un potente alero, todo ello realizado en yeso y dotando de una gran unidad compositiva y plasticidad a la galería. En la parte superior de la fachada el alero interrumpe la sucesión de ménsulas originando un frontón en el que dos centauros enmarcan un óculo central de mayor tamaño que el resto, quedando cerrado por un sófito de casetones, bajo el que se prolongan los dentículos que recorren todo el alero entre las ménsulas.
En el ala este de la fachada se abre una lonja en cuatro arcos de medio punto, con pasaje cubierto por bóveda de cañón con lunetos, hasta la planta principal. En el interior un salón de planta alargada se sitúa sobre la lonja en planta principal; el extremo norte de esta ala se dispone una construcción de tipo doméstico con zaguán, cuadra y caja de escaleras, además de cocina, salas y alcobas situadas en plantas altas.
La torre exterior presenta un primer cuerpo cuadrangular abierto en balcones y óculos, sobre el que se levantan dos cuerpos ochavados culminados con un ático circular.
El ala oeste lo conforma el flanco de la iglesia parroquial, que ya existía antes de iniciar la construcción del palacio. Hacía las veces de capilla particular al estar conectada con la residencia palacial. La torre campanario presenta un recrecimiento sobre su primer cuerpo cuadrado, de dos cuerpos ochavados con vanos de medio punto y óculos en sus caras, y rematados por chapitel en forma de cúpula recubierto de teja vidriada de escamas.
La fachada trasera, con vistas al jardín y de carácter privado, es sencilla, presenta lisos y homogéneos paramentos en ladrillo en los que se abren amplios vanos abalconados y un mirador sencillo de huecos adintelados. En los ángulos, dos torreoncillos rematados por linternas para alojar las escaleras de caracol de comunicación entre plantas. El patio está cerrado a la calle mediante una tapia practicable por un portalón.
El espacio interior, que ha sufrido diversas reformas con el paso del tiempo, se organiza en tres plantas a los que suma la falsa bajo cubierta. Destaca la gran escalera imperial, al fondo del amplio zaguán de entrada, precedida de tres arcos de medio punto, que comunica los diferentes pisos del palacio. La escalinata parte con dos tramos paralelos que ascienden por los extremos, confluyendo en un rellano desde el que continúa en un solo tramo central hacia el rellano superior de la planta principal, en el que se abre una nueva arquería triple. La cubierta de la escalera, realizada en yeso, simula falsos óculos entre lunetos también fingidos.
En el piso noble o planta principal existen varios salones, entre los que llama la atención el llamado Salón Pintado con una profusa decoración de yeserías y pintura mural. En el techo, lunetos y puntas de diamante flanquean una banda central ornamentada con roleos y diversas formas vegetales, donde se repite como tema principal el escudo heráldico del conde.
El palacio de los condes de Argillo constituye la primera plasmación de la nueva tipología barroca de palacio después de la larga pervivencia del plan de vivienda impuesto durante el renacimiento. El diseño marcadamente abierto al exterior y urbano del palacio de Morata contrasta con la interiorización del modelo renacentista de planta volcada a patio interior distribuidor de los espacios, dando paso a una planta en H con una crujía central que se prolonga en alas transversales en los extremos tanto en la parte anterior como posterior, configurándose dos espacios rectangulares delante y detrás del edificio únicamente abiertos por uno de sus lados, en la parte anterior hacia una plaza pública, y en la posterior hacia un jardín privado conformándose así una jerarquía espacial diferenciando un carácter público enmarcado por la iglesia, la lonja y el palacio, y otro privado correspondiendo exclusivamente a la parte residencial del conjunto.
La edificación se caracteriza por la sencillez compositiva, si bien la monumentalidad de su escala en el entorno urbano en que se inserta es ya buena muestra del significado que sus propietarios pretenden transmitir. Su fachada delantera, abierta a la calle Mayor, configura una plaza que aúna la función política, social y religiosa como muestra de la potestad del señor de la villa, en un programa planificado con este fin para integrar el edificio preexistente de la iglesia parroquial a la nueva construcción; la parte trasera de la edificación quedaba orientada a un paisaje abierto de huertas, conectando el palacio con el resto de posesiones del señor.