พระราชวังสนามจันทร์ หรือ พิพิธภัณฑ์พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ตั้งอยู่ในตัวเมือง ห่างจากองค์พระปฐมเจดีย์ ไปทางทิศตะวันตก ประมาณ 2 กิโลเมตร มีพื้นที่ทั้งสิ้นประมาณ 888 ไร่ 3 งาน 24 ตารางวา
พระราชวังแห่งนี้พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สร้างขึ้น ตั้งแต่ยังทรงดำรงพระยศเป็นสมเด็จพระบรมโอรสาธิราชสยามมกุฎราชกุมาร เริ่มก่อสร้างในปี พ.ศ. 2450 โดยหลวงพิทักษ์มานพ (น้อย ศิลปี) ซึ่งต่อมาเลื่อนยศเป็นพระยาศิลป์ประสิทธิ์ เป็นผู้ดำเนินการก่อสร้าง พระที่นั่งเมื่อแรกสร้างมีเพียง 2 พระที่นั่ง ได้แก่ พระที่นั่งพิมานปฐม และพระที่นั่งอภิรมย์ฤดี และพระราชทานนามตามประกาศลงวันที่ 27 สิงหาคม พ.ศ. 2454 และต่อมาได้ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ทำพิธียกพระมหาเศวตฉัตรขึ้นประดิษฐานเหนือพระแท่นรัตนสิงหาสน์ ภายในพระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์เมื่อวันที่ 7 มิถุนายน พ.ศ. 2466
การสร้างพระราชวังแห่งนี้มีมูลเหตุจูงใจมาจากการบูรณะปฏิสังขรณ์องค์พระปฐมเจดีย์ซึ่งทำให้พระองค์ทรงพอพระราชหฤทัยเมืองนครปฐมเป็นอย่างยิ่งทรงเห็นว่าเป็นเมืองที่เหมาะสมสำหรับประทับพักผ่อนเนื่องจากมีภูมิประเทศที่งดงาม ร่มเย็น
นอกจากนี้ยังทรงมีพระราชดำริที่ลึกซึ้ง นั่นก็คือ ทรงเห็นว่านครปฐมเป็นเมืองที่มีชัยภูมิเหมาะสำหรับต้านทานข้าศึกซึ่งจะยกเข้ามาทางน้ำได้อย่างดี ด้วยทรงจดจำเหตุการณ์ เมื่อ ร.ศ.112 ที่ฝรั่งเศสนำเรือรบเข้ามาปิดปากอ่าวไทยได้ และไม่ต้องการที่จะให้ประเทศไทยตกอยู่ในสภาพดังกล่าว จึงตั้งพระทัยที่จะสร้างพระราชวังสนามจันทร์ไว้สำหรับเป็นเมืองหลวงที่สองหากประเทศชาติประสบปัญหาวิกฤติ
พระราชวังสนามจันทร์ มีอาณาเขตกว้างขวางประกอบด้วยสนามใหญ่อยู่กลาง มีถนนโอบเป็นวงโดยรอบ และมีคูน้ำล้อมอยู่ชั้นนอก ส่วนพระที่นั่งต่าง ๆ นั้นรวมกันอยู่ส่วนกลางของพระราชวังเท่าที่ปรากฏอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่
พระที่นั่งพิมานปฐม เป็นพระที่นั่งองค์แรกที่สร้างขึ้นในพระราชวังสนามจันทร์ อาคารก่ออิฐถือปูน เป็นตึก 2 ชั้นแบบตะวันตก ทรงใช้เป็นที่ประทับตั้งแต่ยังไม่ได้เสด็จขึ้นครองราชย์ บนพระที่นั่งมีห้องต่าง ๆ อาทิ ห้องบรรทม ห้องสรง ห้องเสวย ห้องภูษา ฯลฯ และในพระที่นั่งพิมานปฐมนี้เองที่พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้ประทับทอดพระเนตรเห็นปาฏิหาริย์ขององค์พระปฐมเจดีย์บนแท่นไม้สักมีขนาด 2 เมตร ชื่อว่า “พระที่นั่งปาฏิหาริย์ทัศไนย์” ขณะนี้ทางการได้รื้อนำไปตั้งไว้หน้าพระที่นั่งพุทไธสวรรย์ในพิพิธภัณฑสถานแห่งชาติ ส่วนพระที่นั่งพิมานปฐมนั้น ในปัจจุบันใช้เป็นส่วนหนึ่งของศาลากลางจังหวัดนครปฐม
พระที่นั่งอภิรมย์ฤดี เป็นตึก 2 ชั้น อยู่ด้านใต้ของพระที่นั่งพิมานปฐม ขณะนี้ใช้เป็นที่ทำการของศาลากลางจังหวัดนครปฐม
พระที่นั่งวัชรีรมยา เป็นตึก 2 ชั้น สร้างด้วยสถาปัตยกรรมแบบไทย หลังคาซ้อน มียอดปราสาทมุงด้วยกระเบื้องเคลือบสีงดงาม มีช่อฟ้าใบระกา นาคสะดุ้ง หางหงส์ครบถ้วน พระที่นั่งองค์นี้เคยใช้เป็นที่บรรทมเมื่อเสด็จขึ้นครองราชย์แล้ว ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของศาลากลางจังหวัด
พระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์ เป็นศาลาโถง ทรงไทย ยกสูงจากพื้นดินประมาณหนึ่งเมตร และมีอัฒจันทร์ลง 2 ข้าง พระที่นั่งองค์นี้อยู่ถัดจากพระที่นั่งวัชรีรมยาเชื่อมต่อกันด้วยพระทวาร แต่เดิมใช้เป็นท้องพระโรงเวลาที่ ร.6 เสด็จออกขุนนาง รวมทั้งเป็นที่ประชุมข้าราชการ และเหล่าเสือป่า นอกจากนี้ยังใช้เป็นโรงละครสำหรับแสดงโขนอีกด้วย พระที่นั่งมีลักษณะพิเศษก็คือ ตัวแสดงจะออกมาปรากฏกายภายนอกฉากบนเฉลียงถึง 3 ด้าน มิใช่แสดงอยู่เพียงบนเวที โรงละครที่มีลักษณะดังกล่าวมีอีก 2 แห่ง คือ โรงละครสวนมิสกวัน และที่หอประชุมโรงเรียนวชิราวุธ ปัจจุบันพระที่นั่งสามัคคีมุขมาตย์ใช้เป็นหอประชุมของจังหวัดนครปฐม หรือใช้ในพิธีต่าง ๆ ของ ทางราชการ
พระตำหนักชาลีมงคลอาสน์ อยู่ถัดไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ เป็นตึก 2 ชั้น สร้างแบบตะวันตกฉาบสีไข่ไก่ หลังคามุงกระเบื้องสีแดง พระตำหนักหลังนี้ใช้เป็นที่ประทับเวลาเสือป่าเข้าประจำกอง หรือในกิจพิธีเกี่ยวกับเสือป่า
พระตำหนักมารีราชรัตบัลลังก์ เป็นเรือนไม้ 2 ชั้น ทาสีแดง อยู่คนละฝั่งกับพระที่นั่งชาลีมงคลอาสน์ พระตำหนักทั้งสองนี้เชื่อมติดต่อถึงกันด้วยทางเดิน มีลักษณะคล้ายสะพานแต่มีหลังคา มีฝา และหน้าต่างทอดยาวจากชั้นบน
พระตำหนักทับแก้ว เป็นตึกหลังเล็กซึ่งเคยเป็นที่ประทับในฤดูหนาว ปัจจุบันได้ปรับปรุง และตกแต่งสวยงาม ใช้เป็นบ้านพักของปลัดจังหวัดนครปฐม ภายในอาคารยังมีเตาผิงสำหรับให้ความอบอุ่น และมีภาพเขียนขาวดำของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวบนแผ่นหินอ่อนสีขาวที่ผนังห้อง อนึ่งที่ดินบริเวณเบื้องหลังทับแก้วประมาณ 450 ไร่ ได้กลายเป็นที่ตั้งของมหาวิทยาลัยศิลปากร
พระตำหนักทับขวัญ เป็นเรือนไม้สักแบบหลังคามุงจาก อยู่ตรงข้ามกับพระตำหนักทับแก้วคนละฝั่งถนน ห่างจากพระตำหนักมารีราชรัตบัลลังก์ไปเล็กน้อย เรือนไม้หลังนี้พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงสร้างขึ้นเพื่อรักษาศิลปะไทยโบราณไว้ นอกจากนี้ ยังใช้สำหรับบำเพ็ญกุศล และบางครั้งก็จัดให้มีการแสดงของไทยเดิม
เทวาลัยคเณศวร์ หรือเรียกว่า ศาลพระพิฆเนศวร์ สร้างขึ้นให้เป็นที่สถิตของพระพิฆเนศวร์ซึ่งเป็นเทพเจ้าแห่งศิลปะ ศาลนี้ตั้งอยู่กลางสนามใหญ่หน้าพระที่นั่ง เป็นศูนย์กลางของพระราชวังสนามจันทร์มีผู้ศรัทธานับถือกันมาก จนเป็นสัญลักษณ์ศักดิ์สิทธิ์ของพระราชวังสนามจันทร์
อนุสาวรีย์ย่าเหล เป็นรูปหล่อด้วยโลหะขนาดเท่าตัวจริงของสุนัข ซึ่งมีความผูกพันใกล้ชิดกับพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวเป็นอย่างยิ่ง ย่าเหลเป็นสุนัขพันธุ์ทาง เกิดในเรือนจำจังหวัดนครปฐม พระองค์ทรงพบเข้าเมื่อครั้งเสด็จฯ ตรวจเรือนจำ จึงนับว่าเป็นโชคของย่าเหลที่ทรงพอพระราชหฤทัย และทรงนำย่าเหลมาเลี้ยงไว้ในราชสำนัก
ด้วยความที่ย่าเหลเป็นสุนัขที่เฉลียวฉลาด และจงรักภักดีต่อพระองค์ท่านจนเป็นที่โปรดปรานมาก เป็นเหตุให้มีผู้อิจฉาริษยา และลอบยิงย่าเหลตายในที่สุด พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงโศกเศร้าอาลัยย่าเหลมาก ทรงโปรดเกล้าฯให้หล่อรูปย่าเหลด้วยทองแดงตั้งไว้หน้าพระตำหนักชาลีมงคลอาสน์ และทรงพระราชนิพนธ์กลอนไว้อาลัยย่าเหลไว้ที่แท่นใต้รูปนั้นด้วย
นอกจากนี้ ภายในพระราชวังสนามจันทร์ยังมีบ้านพักข้าราชบริพารทั้งฝ่ายหน้า และฝ่ายในที่ตามเสด็จ บ้านพักเหล่านี้ บางหลังก็ชำรุดทรุดโทรม แต่หลายหลังยังอยู่ในสภาพดีที่เห็นได้ก็คือ บ้านพักเจ้าพระยารามราฆพ ผู้สำเร็จราชการมหาดเล็กซึ่งครั้งนั้นเรียกว่า “ทับเจริญ” ปัจจุบันนี้ได้ใช้เป็นสำนักงานสาธารณสุขจังหวัดนครปฐม
พระราชวังสนามจันทร์ เป็นสถานที่ซึ่งพระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 6 ทรงโปรดมากเป็นพิเศษ จะเห็นได้จากการที่เสด็จฯ แปรพระราชฐานไปประทับแรม ณ พระราชวังแห่งนี้อยู่เนืองๆ โดยเสด็จฯแปรพระราชฐานให้ตรงกับฤดูการซ้อมรบของพวกเสือป่า พระองค์จึงทรงถือโอกาสออกตรวจตรา และบัญชาการซ้อมรบของพวกเสือป่าด้วยพระองค์เองเสมอ ปัจจุบันก็ยังมีอาคารซึ่งปลูกสร้างขึ้นเพื่อกิจการของเสือป่าเหลืออยู่ให้เห็น เช่น อาคารที่พักของเสือป่าม้าหลวง และเสือป่าพรานหลวงกับโรงพยาบาลเสือป่า เป็นต้น