Según el estudio realizado por el arqueólogo Manzano Martínez, el castillejo de Monteagudo se puede delimitar en dos recintos diferentes. El principal se inscribe en una planta cuadrangular cuyos muros se defienden con cinco torres en sus lados mayores y tres en sus menores. Estos torreones están escasamente separados entre sí, como corresponde a la tipología arquitectónica de las fortificaciones construidas en su contexto histórico y geográfico; es su característica más singular la disposición de los cubos de las esquinas en ángulo entrante en lugar de existir el común torreón de esquina.
Su interior encierra el palacio propiamente dicho, que se distribuyó en torno a un gran patio central. Sin embargo, patio, habitaciones, salas y otras dependencias se encuentran hoy desaparecidas tras haberse abierto en su interior una gran balsa de regadío a comienzos del siglo XX. No obstante, las excavaciones efectuadas por Sobrejano y las publicaciones realizadas por Torres Balbás antes de que esto sucediese, han permitido conocer una disposición palacial que conecta el edificio con la tradición cortesana omeya andalusí, cuyo desarrollo posterior daría lugar a elementos muy conocidos de La Alhambra, como el Salón de Embajadores o el Patio de los Leones.
El recinto exterior aparece como un sector estrictamente defensivo, que se adosa al sector suroeste del recinto principal. Sus muros aparecen torreados en los tres frentes que forman su planta.
Toda la fortificación fue construida con muros tapial de argamasa de excelente calidad, que va perdiendo grosor conforme ganan altura. Según Navarro Palazón, las estrellas de ocho puntas y un giro de 45 grados que aparecen grabadas en el estuco de uno de sus muros, revelan un esquema constructivo unitario que los alarifes siguieron durante las obras.