Возведение замка было завершено по тем временам чрезвычайно быстро. Его по проекту Матиаша Аррасского и под непосредственным надзором короля построили в течение семи лет. В 1355 г. Карл IV уже жил в Карлштейне, хотя работы по внутренней отделке замка продолжались еще 12 лет.

Карлштейн поднимается вверх уступами с запада на восток и делится на две части: нижнюю (бурграфство) и верхнюю (королевский дворец, костел Богоматери и Большая башня). Внизу, как бы являясь подножием замка, расположена его северо-западная часть с башней Ворошилкой. Она находится левее входных ворот и в древности соединялась с дорогой в замок подъемным мостом, перекинутым через крепостной ров.

Из второго двора замка (двор бурграфства), отделявшегося от первого рвом, через специальные входные ворота путь ведет на третий двор замка, где были сосредоточены основные постройки: королевский дворец, собор Богоматери и самая высокая точка замка – башня с часовней Св. Креста. В этом массивном четырехгранном сооружении помещалась сокровищница чешской короны.

Значение башни как сокровищницы определялось не только расположением, но и неприступными стенами, толщина которых достигает четырех метров. Эта башня считалась самым укрепленным убежищем в Карлштейне. Первоначально она была изолирована от всех других построек замка, и во времена Карла IV в нее можно было попасть лишь по деревянному мосту, который связывал ризницу при костеле Богоматери с крепостной сторожевой вышкой перед винтовой лестницей на южной стороне башни. Только в XV в. во время перестройки замка вход в башню сделали прямо с нижнего вала.

Сама башня состоит из пяти этажей. В помещениях первого этажа, которые первоначально были жилыми, а в XVII в. использовались в качестве тюрьмы, сейчас выставлены различные архитектурные фрагменты древнего замка.

Стены вдоль лестницы, ведущей в верхние помещения башни, были расписаны сюжетами из жизни святых, а своды потолка – изображениями ангелов.

Капелла Св. Креста размещается на третьем этаже башни. В древности вход в капеллу находился за четырьмя дверями с девятнадцатью замками, и даже в XVI в. разрешение на ее посещение выдавалось только государственным сеймом.

Возможно, именно благодаря исключительной системе охраны капелла Св. Креста дошла до нас в первоначальном виде. Кованая позолоченная решетка XIV в. отделяет алтарную часть капеллы, ранее доступную лишь архиепископу и епископам. Над гладким цоколем, опоясывающим часовню снизу, проходит широкий пояс стены, выложенный отполированными полудрагоценными камнями, а над ними – сплошные украшения в виде написанных на дереве изображений святых (132 образа), исполненных чешским живописцем Теодорихом. Это – стражи, хранители часовни Св. Креста.

Крупнейший чешский живописец Теодорих занимал видное место при дворе Карла: он сопровождал его во время коронационной поездки в Рим, был «первым мастером» пражского братства художников. Его живопись поражает монументальностью и мужественной силой образов, мощной звучностью красочной гаммы.

Теодориху также принадлежат и настенные росписи капеллы – «Посещение Христом Марфы и Марии», «Воскресение Христа», «Благовещение», «Посещение Марии», «Поклонение волхвов», а также сцены из Апокалипсиса. Эти росписи расположены в верхних частях капеллы между оконными проемами.

Свод капеллы был усыпан позолоченными стеклянными и хрустальными осколками, которые как бы имитировали звездное небо.

Интересен также трехстворчатый алтарь над алтарной нишей. Его центральная часть изображает Марию с младенцем, боковые створки – святых отцов Церкви.

Между башней с часовней Св. Креста и королевским дворцом расположен собор Богоматери, занимающий важное место среди построек замка. В Средневековье туда можно было попасть прямо из королевского дворца, соединявшегося с собором деревянным мостом. Другой вход в собор находился с западной стороны. Он был соединен с подъемным мостом, перекинутым через ров.

В XVI ст. между дворцом и собором построили крытые галереи-переходы, но они до нашего времени не сохранились. Стены собора были украшены росписями, к сожалению, тоже уничтоженными при позднейших реставрациях. Да и вообще, внешний вид собора сильно изменился в результате перестройки в конце XIX века. В частности, первоначально он был опоясан в верхней части деревянным коридором, в самых нижних его помещениях находились склады, в XVI в. в них была тюрьма.

Второй этаж делится на три помещения: в южной комнате раньше была мельница (на случай осады замка), в двух северных комнатах находился склад оружия. Позже эти две комнаты были перестроены в жилые помещения для членов рыцарского ордена, охранявших королевскую корону в соседней сокровищнице – в Большой башне Карлштейнского замка.

Лестница в восточной стене ведет на следующий этаж, где расположен костел Вознесения Девы Марии. Его прямоугольное пространство с плоским перекрытием отличается скромными размерами. Интерьер богато украшен настенной живописью. На восточной, западной и частично южной стенах – сцены из Апокалипсиса. Этому драматическому циклу противостоят светские по характеру, спокойно уравновешенные росписи на южной стене костела. Большая часть из них посвящена эпизодам из жизни короля Карла IV. Особенно выразительна сцена, изображающая короля с крестом и реликвиями.