Hậu Lâu được xây ở phía bắc hành cung với mục đích trấn giữ, tạo sự yên bình (theo phong thuỷ) nên còn được gọi là Lầu Tĩnh Bắc hay Hậu Lâu (lầu phía sau). Lầu còn được gọi là lầu Công chúa do đây là nơi nghỉ ngơi của các cung tần mỹ nữ trong đoàn hộ tống vua Nguyễn ra ngự giá Bắc Thành. Thời kỳ Pháp bắn phá Thành Hà Nội, Hậu Lâu đã bị đổ nát, sau đó được người Pháp dựng lại để làm nơi đóng quân của quân đội Pháp. Do vậy, kiến trúc Hậu Lâu hiện nay là sự hòa trộn giữa kiến trúc cung đình Việt Nam và kiến trúc Pháp thế kỷ 18.
Về tổng thể, Hậu Lâu là tòa lầu gồm ba tầng. Tầng dưới cùng được xây theo dạng hình hộp với ba phòng tách biệt. Hai phòng đầu hồi có hai cửa ra vào ở mặt trước tòa lầu. Phía sau hai phòng này là một hành lang kín dẫn lối vào phòng giữa. Phòng giữa không có cửa ra vào và lấy ánh sáng tự nhiên từ hai cửa sổ cuốn vòm ở mặt sau của tòa lầu. Ngay sát hai cửa ra vào phía trước Hậu Lâu là hai cầu thang dẫn lên tầng lầu thứ hai. Tầng lầu thứ hai cũng được chia làm ba phòng nhưng ngược lại với tầng một, phòng giữa ở đây lại thoáng đãng nhất với 3 cửa chính ở mặt trước tòa lầu. Hai phòng bên của tầng hai cũng thoáng đãng hơn hai phòng bên của tầng một do có cửa lớn mở ra hai hướng Đông – Tây. Các phòng ở tầng lầu thứ hai đều được đắp mái mô phỏng kiến trúc mái hoàng cung. Phía sau phòng giữa là cầu thang dẫn lên tầng lầu thứ ba. Tầng lầu thứ ba chỉ có một phòng mở 9 cửa ra ba hướng (Đông – Tây – Nam). Đây là nơi lý tưởng để thưởng ngoạn phong cảnh. Tầng lầu này có kiến trúc hai tầng tám mái theo kiến trúc mái hoàng cung với hình tượng đầu rồng trang trí ở góc cong.
Nét đặc trưng nhất của kiến trúc Pháp ở Hậu Lâu là độ dày của các bức tường, khiến các phòng luôn mát mẻ vào mùa hè và ấm áp vào mùa đông. Trong khi đó, phong cách kiến trúc cung đình Việt Nam được thể hiện ở kiến trúc tòa lầu và nhiều bức phù điêu đắp nổi trên tường, miêu tả các loại nhạc cụ, đỉnh đồng, rồng, phượng và bốn loại cây đại diện cho bốn mùa trong năm. Chính sự giao thoa kiến trúc Đông – Tây này đã làm nên nét riêng rất độc đáo cho Hậu Lâu.
Hiện nay, Hậu Lâu đang được sử dụng để làm nơi trưng bày một vài hiện vật khảo cổ được tìm thấy ở khu vực xung quanh cũng như những hình ảnh về Hà Nội qua một số thời kỳ lịch sử.