Der 145x110m große Kernbezirk der Pfalz wurde auf einer Hangterrasse in 3km Entfernung zum Rheinufer angelegt. Kennzeichnend für den Gesamtgrundriß sind ein Halbkreisbau und eine nach dem Vorbild antiker Basiliken gebaute Königshalle. Die Form und Anordnung der Gebäude läßt einen geschlossenen Bauplan erkennen, der nach dem Ergebnis der archäologischen Grabungen jedoch nicht vor dem 10. Jahrhundert vollendet worden ist. Die Königshalle war ein einschiffiger Apsidensaal von 40,5x16,5m Größe mit einem Narthex. Zu den Resten der Innenausstattung zählen polychrom bemalter Wandputz und Bodenplatten aus Marmor und Porphyr.
An der gegenüberliegenden Seite des Palatiums befand sich ein Halbkreisbau von 89m Durchmesser. Die exedraartige Form, eine singuläre Erscheinung in der Architektur des frühen Mittelalters, umspannt die ganze Breite der Pfalzbebauung. Das Innere war durch radial verlaufende Mauern in sechs oder mehr Säle untergliedert, die von einem Säulengang her zugänglich waren. Der mindestens zweigeschossige Bau besaß auf der Außenseite sechs Rundtürme, die zum Teil komplexe wasserführende Einrichtungen beherbergten. Vergangene Grabungsergebnisse machen es sehr wahrscheinlich, dass ein sieben Kilometer langer Wasserkanal in römischer Bautechnik zur Speisung dieser Leitungen diente. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass im Scheitelpunkt der Halbkreisarchitektur einer der Hauptzugänge der Pfalz in Form eines Tores lag.
Nach Westen schlossen ein Saalbau und der Nordflügel mit Säulenhof an. Östlich neben der Aula existierte ein zweiter, bedeutend kleinerer Apsidenbau. Die karolingische Pfalzkirche wurde während der Grabung 2004 im Inneren der Kernbebauung nördlich der Saalkirche lokalisiert. Architektur und Bauplastik lassen den Einfluss antiker Vorbilder erkennen. Der nach dem Planideal geschlossene Gesamtgrundriß und die Lagebezogenheit der Bauteile zueinander sind der römischen Villen- und Palastarchitektur ähnlich.