Tο ανακτορικό συγκρότημα της Δημητριάδας ήταν το κέντρο της πολιτικής και διοικητικής δράσης των Μακεδόνων βασιλέων. Δεσπόζει επάνω σε ύψωμα στο ανατολικό τμήμα της πόλης, βόρεια της αγοράς. Χρονολογείται στο α΄ τέταρτο του 2ου αι. π.Χ., στην εποχή του Μακεδόνα βασιλιά Φίλιππου Ε΄, αλλά οικοδομήθηκε επάνω σε προγενέστερο συγκρότημα, του 3ου αι. π.Χ., ερείπια του οποίου εντοπίσθηκαν κυρίως στη βορειοανατολική περιοχή. Το ανάκτορο φαίνεται ότι εγκαταλείφθηκε μετά τη μάχη της Πύδνας, το 168 π.X., και το τέλος της μακεδονικής δυναστείας. Εξακολουθούσε να χρησιμοποιείται, αλλά δεν φιλοξενούσε δημόσιες δραστηριότητες. Τουλάχιστον στο τμήμα γύρω από τη βόρεια περίστυλη αυλή εγκαταστάθηκαν εργαστήρια κατασκευής αγγείων και χάλκινων αγαλμάτων. Μετά το 120 π.X. όλος ο χώρος του ανακτόρου εγκαταλείφθηκε οριστικά, ενώ κατά τα ρωμαϊκά χρόνια ο χώρος γύρω από την περίστυλη αυλή χρησιμοποιήθηκε ως νεκροταφείο.

Το οικοδομικό συγκρότημα είναι κτισμένο επάνω στην ανώμαλη επιφάνεια του βράχου και αναπτύσσεται σε άνδηρα. Το ψηλότερο, ανατολικό τμήμα του καταλαμβάνει ένα κτήριο με πύργους στις τέσσερις γωνίες, το λεγόμενο τετραπύργιο. Ο στυλοβάτης του είναι θεμελιωμένος κατά το μεγαλύτερο μέρος επάνω στο φυσικό βράχο του λόφου, ο οποίος ισοπεδώθηκε για την ανέγερσή του. Το κτήριο πρέπει να ήταν διώροφο τουλάχιστον στην ανατολική και νότια πλευρά. Οι τετράγωνοι γωνιακοί πύργοι είναι ισχυρές κατασκευές με διαστάσεις περίπου 12,60-12,80 μ., ενώ οι εξωτερικοί τοίχοι του τετραπυργίου είναι κτισμένοι σύμφωνα με το ψευδοϊσόδομο σύστημα, από γκρίζο μάρμαρο, όπως όλα τα τείχη και τα πιο σημαντικά κτίσματα στο εσωτερικό της πόλης. Το κτήριο περιλαμβάνει μία κεντρική περίστυλη αυλή, γύρω από την οποία ανοίγονται σειρές αιθουσών σχεδιασμένων για τη διάταξη κλινών, με διαμερίσματα για ξένους και κλίμακες που οδηγούν στον όροφο. Οι κιονοστοιχίες της αυλής αποτελούνται η καθεμιά από οκτώ δωρικούς κίονες. Οι κίονες και οι στυλοβάτες είναι κατασκευασμένοι από ερυθρωπό μαργαϊκό ασβεστόλιθο, πέτρωμα κακής ποιότητας που απολεπίζεται πολύ εύκολα, γι' αυτό μετά την τοποθέτησή τους στο κτήριο προστατεύθηκαν με λευκό μαρμαροκονίαμα. Το δάπεδο της αυλής βρισκόταν περίπου στο ίδιο επίπεδο με το περιστύλιο. Στη βορειοδυτική γωνία της σώζεται συλλεκτήρια λεκάνη, που ήταν σκαμμένη στο φυσικό βράχο και από το βόρειο άκρο της ξεκινούσε ένας μεγάλος αποχετευτικός αγωγός. Σε συνέχεια του νοτιοδυτικού πύργου προς τα νότια, με κατεύθυνση προς την αγορά υπάρχει ισχυρός τοίχος με αντηρίδες, κατασκευασμένος με ψευδοϊσόδομο σύστημα και στις δύο όψεις. Ο τοίχος αυτός αποτελεί το ανατολικό όριο της οδού που συνδέει το ανάκτορο με την αγορά. Στο κτίσμα βρέθηκαν πολλές ενσφράγιστες κεραμίδες στέγης με τα γράμματα BA (αρχικά του Βασιλέως Αντιγόνου) σε έγκοιλο τετράγωνο, μία με τα γράμματα ΔH (Δημόσιο) και πήλινα αρχιτεκτονικά διακοσμητικά μέλη όπως σίμες, ηγεμόνες καλυπτήρες και λεοντοκεφαλές-υδρορρόες. Στα δυτικά του συγκροτήματος της περίστυλης αυλής, σε χαμηλότερα άνδηρα εκτείνονται οι υπόλοιποι χώροι του ανακτορικού συγκροτήματος, που φαίνεται ότι είχαν διαμορφωθεί παλαιότερα, αλλά εξακολούθησαν να χρησιμοποιούνται. Οι τοίχοι εδώ ήταν κτισμένοι με ισόδομο σύστημα και σώζονται σε ύψος ενός ορόφου. Στην ανώτερη σωζόμενη σειρά υπάρχουν λιθόπλινθοι με τις υποδοχές για την τοποθέτηση των ξύλινων δοκών που στήριζαν το δάπεδο του ορόφου.

Οι πρώτες ανασκαφές στο χώρο του ανακτόρου έγιναν το 1906, από τον Απ. Αρβανιτόπουλο, αλλά η ταύτιση του κτηρίου έγινε από το Ν. Παπαχατζή το 1958. Ακολούθησαν νέες έρευνες από τον Δ.Ρ. Θεοχάρη, το 1961, και από Γερμανούς αρχαιολόγους, ενώ από το 1985 την ανασκαφή ανέλαβε η ΙΓ΄ Εφορεία Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων (σημ. Εφορεία Αρχαιοτήτων Μαγνησίας). Για την καλύτερη διαμόρφωση του χώρου έχουν γίνει μελέτες με προτάσεις για ήπιες αισθητικές και λειτουργικές παρεμβάσεις, όπως θύρες εισόδου, περιφράξεις, φυτεύσεις, πεζόδρομους, καθιστικά και πινακίδες ενημέρωσης των επισκεπτών.