Le château de Belmonte a été conçu à l'origine comme une forteresse-palais, avec un double objectif. D'une part, il devait répondre aux exigences défensives du marquis de Villena, qui souhaitait le préparer à résister aux innovations militaires de son époque, en particulier à l'avancée de l'artillerie. D'autre part, il devait servir de luxueuse résidence seigneuriale, reflet de la puissance et de l'ambition de Don Juan Pacheco. Ce n'est pas pour rien que les plafonds gothiques-mudéjars et l'impressionnant bestiaire sculpté dans la pierre rivalisent en richesse décorative avec les châteaux de la royauté, comme celui de Ségovie.

Le plan de l'édifice est très original et s'inscrit dans ce que l'on appelle une "structure en falaise". Il s'organise autour d'un triangle équilatéral : deux de ses côtés sont des corps bâtis, tandis que le troisième contient l'imposant donjon. Ce tracé triangulaire se transforme en un polygone à neuf côtés, renforcé par six tours disposées aux sommets pour former une étoile à six branches. Chaque tour mesure environ 22 mètres de haut. Ce plan en étoile, unique en Espagne et pratiquement sans équivalent en Europe, confère au château son caractère unique.

L'enceinte principale est protégée par une barrière d'artillerie très raffinée, avec près d'une centaine de points de tir répartis dans des meurtrières et des trous situés aussi bien en bas qu'en haut. Cette barrière possède trois entrées principales : la Puerta del Campo, la Puerta de la Villa et la Puerta de los Peregrinos, ainsi que trois bastions défensifs. Ses fentes de flèche au niveau du sol sont en forme de croix et d'orbe, tandis que les fentes supérieures sont en forme de croix et de poteau, adaptées à la disposition de l'artillerie.

À l'intérieur, les magnifiques plafonds mudéjars des salles et des galeries sont remarquables et font du château l'un des exemples les plus emblématiques de l'architecture des palais fortifiés en Espagne. La pièce la plus importante est la chapelle ou salle des ambassadeurs, couverte d'un plafond à caissons mudéjar avec des muqarnas, qui rappelle les joyaux de l'Alhambra de Grenade ou du palais de l'Aljafería de Saragosse. Dans ce même espace se trouve l'un des éléments les plus singuliers du monument : un bestiaire médiéval en pierre, attribué à l'architecte Juan Guas. Il s'agit d'une œuvre unique, car elle n'est pas dispersée dans des chapiteaux, comme c'est habituellement le cas, mais concentrée dans deux fenêtres de la pièce. Au total, 59 figures et animaux fantastiques sont représentés : 20 dans la fenêtre nord et 29 dans la fenêtre ouest, ce qui en fait un ensemble inégalé dans la sculpture gothique espagnole.