Implantée au coeur d'un parc aménagé, cette demeure de villégiature, d'une facture aussi riche que complexe, est caractéristique des villas balnéaires et thermales de la Belle Epoque à la transition entre l'éclectisme du second 19e siècle et les débuts de l'Art nouveau. Elle allie les inspirations néogothiques, orientalistes et régionalistes selon une démarche renouvelée de l'art de bâtir.

Son plan asymétrique, empruntant à la distribution fonctionnaliste médiévale, imbrique plusieurs corps de bâtiment, porches et tourelles, occasionnant ainsi une complexité des jeux de la couverture, qui se compose de toits à deux pans, de toit à un pan, de demi-croupes, auvents à structure en bois couvrant les porches et toiture en pavillon coiffée d'épis de faîtage pour la tour carrée.

Les façades enduites se distinguent par la richesse de leurs décors et de leurs matériaux, notamment grâce à l'association de la brique rouge et de la brique rose. Ces matériaux, remis au goût du jour dans les dernières décennies du 19e siècle, sont agencés de sorte de créer des motifs graphiques richement ouvragés et soulignant la structure (bandeaux, corniches, piliers du porche, souches de cheminées) et mettant en valeur les ouvertures de façon rationnelle: les baies sont ainsi surmontées d'arcs en mitre, rectangulaires, en arcs surbaissés et même en arc outrepassés (inspirés de l'architecture orientaliste).

Le nom de l'édifice Castel-Mouly est inscrit sur une plaque en céramique au-dessus du porche donnant sur la rue, où le portail d'entrée en fer forgé se compose de formes organiques, et notamment de l'emblématique coup de fouet, caractéristiques de l'Art nouveau.