Дворец выполнен по заказу императрицы Екатерины Великой в характерном для того времени классическом стиле. По первоначальному замыслу здание должно было служить резиденцией высшего органа государственной власти Российской империи — Правительствующего сената, откуда и получило своё название. За время своего существования его стены увидели немало государственных деятелей и вмещали различные органы государственной власти. В XIX веке дворец нарекли «зданием присутственных мест» (так в ту пору назывались здания, вмещавшие органы административного управления и местные суды). Непосредственно перед революцией — здание судебных установлений.

Центральное помещение здание — Екатерининский зал, он имеет круглую форму, с колоннадой по периметру и украшен скульптурным панно, стены выкрашены в белый цвет. В XVIII веке зал использовался для дворянских собраний. После смерти в 1919 году Я. М. Свердлова зал был назван Свердловским. В зале проходили VIII, IX, X и XI съезды партии и партийные конференции. В зале также собирался клуб работников кремля и курсантов Школы им. ВЦИК. В позднее советское время в зале проходили пленумы ЦК КПСС, торжественно вручались государственные премии.

В марте 1918 года в здание из Петрограда переехало светское правительство, также здесь разместился рабочий аппарат ВЦИК. 28 марта 1918 года в здание в только что отремонтированную четырёхкомнатную квартиру на третьем этаже из кавалерийского корпуса переехал В. И. Ленин с семьёй. На третьем этаже разместился аппарат Совнаркома, где также размещался рабочий кабинет В. И. Ленина. В кабинете хранится часть библиотеки Ленина, а всего в ней значилось более 10000 единиц хранения. Последний раз Ленин работал в кабинете 12.12.1922. Рядом в кабинетом в небольшой комнате располагался Верхний кремлёвский коммутатор на 120 номеров.
Также кабинет Ленина межует с залом заседаний Совета народных комиссаров, Совета труда и обороны и Политбюро ЦК партии. Ленин руководил заседаниями в данном зале. В прочее время зал выполнял функцию приёмной. В 1930-х годах зал был расширен за счёт смежной комнаты. До 1958 года в зале проходили заседания Совета министров СССР и Президиума ЦК КПСС. С 1958 года зал был открыт для посетителей музея В. И. Ленина.
Кабинет коридором соединён с квартирой Ленина. В коридоре в 1918 году располагалась аппаратная Совнаркома для связи с фронтами и прочими важными местами. С конца 1918 года вместо аппаратной в коридоре был устроен пост № 1. В квартире Ленин прожил до 15.05.1923, после чего переехал в Горки [ММ-7].

В настоящее время Сенатский дворец является рабочей резиденцией Президента Российской Федерации.