De plan quadrangulaire, le château de Riell se distingue par sa position dominante au-dessus de l’établissement thermal de Molitg. Le soubassement repose en effet sur des vestiges d’une ancienne fortification médiévale, comme l’atteste la présence de meurtrières non loin de l’actuel restaurant. Ces vestiges se composent d’un réseau important de souterrains, caractérisés par des couloirs desservant plusieurs espaces aménagés pour accueillir les évènements organisés par le château. Selon les témoignages recueillis sur le site, ces souterrains auraient été utilisés par la garnison du château de Paracolls, ce dernier étant vraisemblablement relié à celui de Riell. Certaines galeries sont reliées entre elles par des arcades outrepassées à impostes, avec un encadrement en briques ou en granit posées de chant. Dans les pièces de vie, les arcs reposent sur des piliers massifs de section carrée. La principale, transformée avec l’aménagement d’un bar et d’un espace en hauteur pour le DJ, conserve une cheminée d’angle demi circulaire, à ouverture scindée en deux par une colonnette remaniée en pierre de taille et surmontée de linteaux surbaissés. L’âtre en cul-de-four est en briques réfractaires. L’espace précèdent dispose d'un balconnet en fer forgé, dont le support circulaire intégré partiellement dans la maçonnerie semble se rapporter à une ancienne meule de moulin. Le centre de cette pierre réemployée a été agrandi et évidé postérieurement. Une seconde meule circulaire clairement identifiée en tant que tel sert également de support à une cheminée, caractérisée par une hotte suspendue concave reposant sur des corbeaux en pierre de taille. La meule d’environ 2 m est conservée dans son entièreté. Son oeillard central ne comporte pas d’engravure pour loger l’anille (pièce de fer située au centre de la meule courante permettant de la mettre en mouvement), ce qui laisse penser qu’il pourrait s’agir d’une meule fixe ou « dormante ».

 Le système de voûtement est ancien, avec une charpente de plancher à voûtains en briques et solives en fer forgé. Ce dernier matériau se retrouve  dans un remplage néogothique, intégré dans un mur jouxtant une actuelle cuisine. Aucune investigation archéologique n’a pour le moment été réalisée dans le sous-sol du château de Riell, ce qui ne permet pas d’affirmer le rôle de liaison qui pouvait être établi entre les différentes fortifications. Les souterrains ont par ailleurs été remaniés postérieurement, notamment dans les années 1970-1980, avec l’installation d’une boîte de nuit. Des évènements tels que des mariages et des concerts y sont actuellement organisés. Récemment, l’équipe du château a déblayé plusieurs espaces recouverts de terre. Cette opération a notamment permis de faire découvrir cette partie du château aux visiteurs lors des Journées européennes du patrimoine (édition 2022).  

Le château comprend des façades ordonnancées sur trois travées de baies, dont la typologie se rapproche de l’architecture médiévale. En effet, plusieurs ouvertures possèdent des traverses et meneaux, ainsi que des moulures d’encadrement formant des archivoltes rectangulaires. De plus, la partie supérieure est couronnée d’une corniche décorative, qui rappelle l’organisation des mâchicoulis. Le mouvement romantique développé au 19e siècle se traduit dans l’architecture du château de Riell, à travers la présence d’une tour-donjon polygonale (angle Nord-Ouest), terminée par un faux crénelage. A l’origine, cette tour était couronnée d’une toiture pyramidale en lloses, et le reste de l’édifice par un toit à la mansart avec lucarnes jacobines. Ces dernières étaient constituées d’un encadrement en bois, avec une décoration trilobée. Par ailleurs, le donjon abritait un mécanisme ingénieux, permettant de soulever le toit pour observer les astres. L’ensemble de la toiture du château a été supprimé dans les années 1970, afin d’aménager une piscine sur toit-terrasse. Les encadrements de lucarnes ont été réutilisés, pour l’affichage des différentes tarifications de l’hôtel-restaurant de Riell, ainsi que pour les prestations de l’établissement thermal situé en contrebas.

Toutes les façades sont développées sur trois niveaux, en dehors de la façade Sud, qui comprend quatre étages supérieurs. Celle-ci dispose d’un rez-de-chaussée correspondant à l’entrée principale du château, accessible par une porte en bois vitrée à deux vantaux, décorée de vitraux aux motifs symboliques propre à la famille Barthélémy (chouette et feuilles automnales). L’intérieur du rez-de-chaussée se compose d’un vestibule qui dessert plusieurs salons, agrémenté de gypseries en forme d’oves. L’un de ces salons abrite l’ancienne chapelle privée du château, qui se rapporte au soubassement de la tour-donjon. Au nombre de douze, les chambres sont quant à elles réparties aux trois étages supérieurs.

Enfin, la maçonnerie extérieure a la particularité d’être constituée de pierres de taille en granit, soulignées par des joints tracés en creux. Les encadrements de fenêtre sont également en pierre de taille, dont la teinte sombre à certains endroits se rapporte à un matériau autre que le granit.

Le château est agrémenté d’un important parc de verdure, composé d’arbres méditerranéens, tels que les majestueux cèdres plantés par la famille de Massia.