La façade, achevée en 1533, typique de la première renaissance française, est parcourue en totalité par un balcon unique en son genre et reflète l'influence italienne sur la renaissance Lorraine. Le château a également été souvent comparé à Azay-le-Rideau pour la pureté de ses lignes.
Le château conserve en plus du donjon de 30 mètres, les douves asséchées du château féodal.
La cour, ouverte au XVIIIe siècle, est ornée de vases rocaille.
L'intérieur, entièrement meublé, est ouvert au public : boiseries Renaissance, chapelle, salle des États de Lorraine qui présente les Blasons de Lorraine, ainsi que la chambre de Stanislas Leszczyński.
Autour du château se découpe un parc labellisé « jardin remarquable »[3].
Ce grand parc présente un jardin potager, un verger, une roseraie. Le parc était initialement un jardin à la française, mais a été partiellement transformé en jardin romantique de 20 hectares.
Une promenade dans le parc permet également d'apprécier, à l'arrière de l'orangerie, un décor en trompe-l'œil créé vers 1680 et restauré en 2004, ainsi qu'un belvédère.
Le parc lui aussi fait l’objet d’un classement au titre des monuments historiques depuis [4].
Galerie des Ducs de Lorraine au château de Fléville, Vagner, Nancy, 1857, 101 p.
Victor-Melchior Jacques (abbé), Cérutti et le salon de la duchesse de Brancas à Fléville (1778-1784), impr. de Berger-Levrault, Nancy, 1888, 53 p. (extrait des Annales de l'Est)
Georges Poull, Fléville : son histoire et ses seigneurs, XIIIe-XIXe s. : histoire détaillée de cette demeure et de ses possesseurs, les Fléville, les Lutzelbourg et les Beauvau, G. Poull, Rupt-sur-Moselle, 1988, 143 p.
Cécile Bertran, « Le château de Fléville », dans Congrès archéologique de France. 164e session. Nancy et Lorraine méridionale. 2006, Société française d'archéologie, Paris, 2008, p. 29-37, (ISBN978-2-901837-32-9)