Villa Sartorio, come la conosciamo oggi, è frutto della ristrutturazione e dell’ampliamento di una villa settecentesca di tipologia veneta ad impianto palladiano. L’incarico che fu affidato a Nicolò Pertsch  prevedeva la realizzazione di una sala per lo svago maschile, oggi sala neogotica, e di una piccola cappella.
L’edificio presenta uno stile tardo neoclassico e si sviluppa su tre piani ed una soffitta. Il prospetto si caratterizza per la presenza ai due lati di un porticato sporgente a tre fornici frontali e due laterali: quello collocato in direzione del parco è sormontato da una terrazza mentre quello opposto è stato adibito ad ingresso al museo.
La facciata si presenta liscia, intonacata e completamente priva di colonne o lesene.
All’interno l’edificio si organizza, sia al piano terra che ai piani superiori, attorno ad un salone centrale sul quale si affacciano le stanze perimetrali. I piani sono raccordati tra loro da una grande scala lignea che ne sostituisce una precedente in pietra, che era più pesante e secondo alcuni rilievi a doppia rampa.
La villa contempla la presenza di ambienti sotterranei che si estendono per tutta la sua area e portano in diverse direzioni: verso il mare e alla zona di Cavana. Queste aree oggi sono state in parte adibite a museo.

Bibliografia essenziale
- W. Bensch, L'architetto Matteo Pertsch a Trieste. Nuove considerazioni sulla sua vita e sulla sua opera, “Archeografo triestino”, ser. 4,  XXXVI (LXXXV della raccolta), 1976, p. 49
- Trieste: l'architettura neoclassica, Trieste 1988 pp. 257-259; 348
- S. Parmegiani, Trieste neoclassica e cultura imprenditoriale. Giovanni Guglielmo Sartorio, in Neoclassico: arte, architettura e cultura a Trieste 1790-1840, catalogo della mostra a cura di F. Caputo, (Trieste, Civico Museo Sartorio e Tempio Anglicano), Venezia 1990, pp. 308-310
- L. Resciniti, Il civico museo Sartorio di Trieste, Trieste 1999