Budynek posiada zaokrągloną środkową salę wypełniającą dwa piętra i nakrytą kopułą wspieraną przez sześć kolumn.
W latach 1834–1838 kolejną przebudową zajął się Henryk Marconi. Zaprojektował pomnik-sarkofag Natalii Potockiej (zm. 1830), wyrzeźbiony przez Ludwika Kaufmanna. W parku wybudowano świątynię dorycką, bramę i most mauretański, a także akwedukt rzymski. Od 1892, po śmierci Aleksandry Potockiej (zwanej Augustową), wdowy po wnuku Stanisława Kostki Potockiego, do 1945 pałac należał do Branickich.
W czasie powstania warszawskiego i po jego upadku niemieckie wojska okupacyjne zdewastowały i rozgrabiły najcenniejsze budynki i budowle Natolina. Szczególnie barbarzyńsko potraktowany został pomnik Natalii Sanguszkowej, który posłużył za cel strzelającym do niego żołnierzom. Podobny los spotkał rzeźbę Junony w Salonie Otwartym. Zabytkowy park natoliński przeorano rowami strzeleckimi, niszcząc przy tym dużą część jego historycznego starodrzewu.