Budynek Teatru Zimowego zaprojektował Karol Steczkowski, a nadzór nad budową prowadził Stanisław Trembiński, architekt kolei warszawskiej. Pierwotnie był to piętrowy obiekt wzniesiony w stylu historyzmu, z wykorzystaniem form neoklasycznych i neorenesansowych. Składał się z prostokątnego budynku frontowego oraz prostopadłej do niego części mieszczącej widownię i salę teatralną.
Wnętrze pierwotnie mieściło około 700–800 widzów. Znajdowały się w nim amfiteatralna widownia na parterze, osiem sześcioosobowych lóż, galeria, foyer, szatnie, bufety oraz sala restauracyjna. Dekoracje malarskie wnętrza wykonał Rudolf Sarbiewski; na plafonie przedstawiono amorki, a na balkonach portrety m.in. Juliusza Słowackiego, Wojciecha Bogusławskiego, Macieja Kazimierza Sarbiewskiego, Stanisława Moniuszki, Aleksandra Fredry i Józefa Korzeniowskiego.
Budynek był wielokrotnie przebudowywany. Po pożarze z 1939 roku odbudowano zniszczoną scenę i dach. W latach 1940–1941, podczas okupacji niemieckiej, zbudowano nową scenę ze stalową konstrukcją dachu oraz wykonano nowy sufit nad widownią. Przed ponownym otwarciem w 1955 roku przeprowadzono remont, odnowiono fasadę, przebudowano balkon i widownię oraz wykonano nowe zaplecze sceny.