HOOFDGEBOUW. Het op een vrijwel vierkant eiland gelegen huis, waarvan de hoeken zijn afgeschuind, is vanaf de oostzijde toegankelijk via een brug. Het huis bezit een octogonale plattegrond van 18,79 x 16,79 m. met vier overhoeks geplaatste vijfhoekige hoektorens, die half in het gebouw zijn opgenomen en die vanaf de zolderverdieping in 6-hoekige vorm vrijkomen. Het hoofdvolume was tot aan de brand gedekt door een samengesteld dak, bestaande uit een hoogopgaand aan de onderzijde licht uitzwenkend schilddak waaruit een vrijwel vierkant torenachtig blok oprees, dat op zijn beurt een verjongend tentdak droeg. Het geheel werd bekroond door een massieve schoorsteen met een stervormige doorsnede en een sterk uitkragende natuurstenen kroonlijst, waarboven een uitgewerkte smeedijzeren bekroning met een opengewerkte windvaan, voorzien van de wapens Pieck en Van Winssen. Op deze imposante schoorsteen waren tot de brand van 1987 alle rookkanalen aangesloten. De hoekschoorstenen hadden sterk verjongende hexagonale tentdaken, bekroond met windwijzers. Het hoofdvolume telt drie bouwlagen: een souterrain, bel-etage en verdieping alsmede een door dakkapellen verlichte zolder. Het pand is opgetrokken in baksteen in staand verband met gebruik van drie klezoren voor de hoeken. De hoektorens bestaan uit een souterrain, vier woonlagen en een zolder. In de noordoostelijke hoektoren werd omstreeks 1695 een overkoepeld trappenhuis gebouwd. Alle gevels worden afgesloten door een sterk overkragende kroonlijst, die ondersteund wordt door zware geprofileerde consoles.

De hoofdingang bestaat uit een rondbogige ingang met bovenlicht in een zandstenen omlijsting, gedekt door een kroonlijst die wordt gedragen door dorische halfzuilen op basementen, die in de kroonlijst zijn gekornist. In de kroonlijst is het jaar van de bouw aangebracht: MDCXLV. Boven de ingang een rechthoekige erker rustend op consoles waarover een korfboog is geslagen. Deze erker is vlak gedekt, waarbij de daklijst op ojiefvormige consoles rust. De erker, die qua situering en verschijningsvorm sterk herinnert aan de middeleeuwse 'mesekouw' rust op twee hardstenen, aan de voorzijde afgeronde consoles waarop de wapens van Pieck en Van Winssen zijn aangebracht. Deze wapens herinneren aan de bouwers: Hendrik Pieck en Maria van Winssen. In de nis boven de deur zijn twee halfrond gesloten uitsparingen aanwezig. Hier staat in ieder geval vanaf het midden van de 18e eeuw een portretbuste. Bij de restauratie van 1973 trof men hier het jaartal 1695 aan. De erker is voorzien van een schuifvenster, dat een oorspronkelijk schuifvenster vervangt. De ingang wordt geflankeerd door schuifvensters met roedenverdeling en wisseldorpel in het midden. Vrijwel geen der dagkanten is nog origineel, waarschijnlijk aangebracht bij de reconstructie in en na 1905 door het Architectenbureau Van Nieukerken. Wel origineel zijn de dagkanten van de waarschijnlijk om fiscale redenen in het begin van de vorige eeuw dichtgezette kloostervensters van de torens. Zoals rond het midden van de 17e eeuw gebruikelijk was, nemen de vensters op de verdieping in hoogte af. De vensters in de torens volgen de hoogte en verticale roedenverdeling van de vensters van het corps de logis. Ze bezitten echter slechts de helft van de vensters van het centrale deel. De zijgevels corresponderen qua hoogte van de vensters en de roedenverdeling met de voorgevel. In de achtergevel bevindt zich op de bel-etage waarschijnlijk sinds ca. 1695 een afwijkende indeling van de muuropeningen. In de middelste travee bevinden zich nu naar buitenslaande glasdeuren, ieder met 2 maal 7-ruits en daarboven een bovenlicht van 4 maal 5-ruits met een verzwaarde middenroede. Aangezien het balkon in 1906 enigszins vergroot is (omdat de deuren niet voldoende konden worden geopend), kan worden aangenomen, dat hier met het aanbrengen van het balkon naar binnen draaiende glasdeuren waren aangebracht. Links en rechts bevinden zich schuifvensters, die waarschijnlijk ook sinds ca. 1695 een lagere borstwering bezitten. Ze telden horizontaal vijf en verticaal zeven ruiten en bevatten boven de oorspronkelijke vaste middendorpel verticaal vijfruiten. Diderick van Velthuysen, die in 1680 Heemstede verwierf, is verantwoordelijk voor het veranderen van de kruis- en kloostervensters (zoals te zien op de gravure van Specht) in Engelse schuifvensters. Deze verandering vond vermoedelijk aan het einde van de 17e eeuw plaats. De gravure van I. van Vianen uit 1698 toont het huis met kruis- en kloostervensters. Ook vertoont het huis zich in deze gedaante op enkele gezichten van Isaac de Moucheron, die omstreeks 1700 worden gedateerd. Inwendig werd het huis van ornamentele classicistische lambrizeringen voorzien met nieuwe schoorsteenmantels met schoorsteenstukken en (deels) beschilderde deurpartijen en behangsels. Deze ingrijpende verfraaiing van het inwendige wordt aan Daniel Marot toegeschreven. Waarschijnlijk werden ook kort na de aankoop van Heemstede door Van Velthuysen veranderingen aan het huis aangebracht. Het voormalige smeedijzeren balkonhek was gesigneerd en gedateerd Berendt Hofsmidt 1682. Het middelste venster op de verdieping was in de tijd van De Beijer als naar binnen slaande deur uitgevoerd, waarbij ter beveiliging een smeedijzeren traliehek was toegepast. Het oorspronkelijke balkon - veruit het oudst gedateerde in Nederland - is weliswaar rond de eeuwwisseling vergroot, maar getuigt nog steeds van een zeer hoge kwaliteit. Wellicht vervaardigde Hofsmidt ook de smeedijzeren balustrade in Lodewijk XVI-stijl van de trap in het omstreeks 1695 gebouwde trappenhuis in de noordoostelijke hoektoren, zo Marot hiervan niet de architect was (vgl. smeedijzeren balustrade in slot Zeist). Het huis Heemstede was in zijn tijd zowel een traditioneel als een modern huis. De centraliserende opzet was in 1645 vrij uitzonderlijk. Bij de bouw van Heemstede is blijkbaar bewust gestreefd naar zowel een modern landhuis als naar een huis met traditionele elementen, die aan de middeleeuwse kasteelbouw herinnerden. De kasteelachtige elementen zijn bij Heemstede: de op een centrale donjon gelijkende centrale torenvormige middenpartij, de vier hoektorens, de erker boven de ingang als verwijzing naar een 'mesekouw'. Tenslotte is ook de omgrachting als een traditioneel feodaal element te beschouwen. Hiermee wenste men blijkbaar duidelijk te maken dat het huis een voortzetting was van het in 1645 al zeer ruineuze blokvormige kasteel aan de overzijde van de Heemsteedse wetering (aan de Overeindse weg) in de huidige gemeente Nieuwegein, dat in 1536 als Ridderhofstad was erkend.

De vertrekken waren gegroepeerd rond een vestibule of 'voorsael', zowel op de bel-etage als op de verdieping. In het verlengde ligt de grote zaal, terwijl links en rechts de toendertijd moderne appartementsindeling 'Anti-chambre - chambre - kabinet' is toegepast.

Het huis Heemstede hoort tot een van de belangrijkste voorbeelden van adellijke wooncultuur in de eerste helft van de 17e eeuw. In tegenstelling tot hetgeen naar aanleiding van de buitenzijde vermoed zou kunnen worden, heeft Heemstede geen centraliserende maar een driebeukige plattegrond, die zeer regelmatig van karakter is en die vermoedelijk sterk werd beinvloed door de plattegrond van het in 1945 verdwenen kasteel Zuylensteijn.

Na de brand in 1987 werden de lambriseringen van de kapel (in de zuidoostelijke hoektoren) en de eetsalon in het zuidelijke bouwhuis opgeslagen. Vier jachttaferelen (toegeschreven aan Cornelis Bietius), die in halfronde nissen in de hal waren gesitueerd, zijn thans opgeslagen in het Centraal Museum te Utrecht, evenals twee arcadische landschappen en een schoorsteenstuk uit de salon (een van deze arcadische landschappen wordt toegeschreven aan Isaac de Moucheron).