Powstała na zlecenie Stanisława Augusta i służyła jako schronienie dla delikatnych roślin, które nie wytrzymywały zimowych warunków. Budynek jest bogato oszklony, a w jednym z jego skrzydeł znajduje się wykonany w XVIII wieku całkowicie z drewna teatr .
Jest to przeszklona budowla poprzedzona rozległym tarasem, otoczonym kamienną balustradą z takimiż wazonami na narożach i lwami u wejścia. Budowla ta, pochodząca z lat 1786-88 jest dziełem Dominika Merliniego. Główny korpus, mieszczący salę do przechowywania drzew pomarańczowych, uzupełniają dwa skrzydła. Zachodnie, które przeznaczone było dla służby i wschodnie, które mieściło teatr królewski. Szczęśliwie ocalała ze zmagań wojennych sala teatralna jest jednym z nielicznych w świecie przykładów architektury XVIII-wiecznego teatru dworskiego. Oprócz widowni mającej 200 miejsc, na wysokości 1 piętra znajduje się 9 lóż przedzielonych parami pilastrów i świecznikami dłuta Le Bruna i Jakuba Monaldiego. Ozdobiona jest także iluzjonistyczną dekoracją malarską pędzla Jana Bogumiła Plerscha, przedstawiającą publiczność w lożach oraz (w plafonie) Apolla w otoczeniu geniuszów.
Pierwsze przedstawienie miało tu miejsce 6 września 1788 roku. Obecnie Pomarańczarnia jest obiektem muzealnym. W nadzwyczajnych jednak okolicznościach odbywają się tu przedstawienia zamknięte. W sali głównej Pomarańczarni organizowane są wystawy kwiatów, sztuki oraz koncerty muzyki dawnej.