Триповерховий, цегляний, складається з трьох орієнтованих у бік подвір'я паралельних крил, об'єднаних поперечним фасадним об'ємом. Внутрішнє планування головного корпусу (у плані 150,0 х 160,0 м), що призначався для навчання й проживання вихованців училища, відповідає функціональним завданням. Має п'ять сходових кліток (одна центральна і по дві у бічних крилах). Звернені в бік бульвару навчальні кабінети та класи прилягають до широкого (бл. 6,0 м) коридора-рекреації, освітленого вікнами з подвір'я. На всю ширину центральних частин бічних
крил влаштовано просторі спальні — кімнати-казарми, кожна з двома рядами чавунних стовпів, що підтримують металеві прогони перекриттів; на першому й цокольному поверхах — спортивні та обідні зали. Тильні частини бічних крил та частина першого поверху мають коридорне планування з двобічним розташуванням службових приміщень. По осі головного фасаду в центрі будинку зосереджені репрезентативні приміщення, які займають об'єми двох верхніх поверхів: вестибуль, шестимаршові розпашні сходи, актова зала та колишня церква (тепер зала для урочистих подій). У конструкціях пласких перекриттів і несучих елементів широко використано метал і бетон.
Споруджений у стилі неоампір. Архітектура триосьових симетричних головного та бічних фасадів вирішена в ордерній системі. Нижній рустований поверх з арковими прорізами є своєрідним подіумом для верхніх, об'єднаних великим доричним ордером. Центр головного фасаду підкреслено урочистим портиком з восьми канелюрованих колон, що спираються на масивні пілони семипрогінного аркового під'їзду. В тимпані трикутного фронтону — барельєф із зображенням військової атрибутики. Торці бічних тривіконних крил-ризалітів з високими глухими парапетами оформлено класицистичною композицією «храм в антах», яка складається з двох канелюрованих напівколон, фланкованих наріжними пілястрами. Розмірений ритмічний ряд віконних прорізів на бічних фасадах переривається пласкими лопатками-пілястрами на наріжжях та по осях фасадів.
Оформлення більшої частини приміщень з пласкими стелями має суто утилітарний характер: паркетна підлога з великих дубових плах, фільончасті двері, метлаські кахлі на сходових майданчиках. Збереглося опорядження парадних приміщень — вестибуля, головних сходів з ампірними світильниками, актової зали, колишньої церкви, які мають розбиті на кесони й фільонки поля стелі та стіни, оформлені вишуканим орнаментальним ліпленням модерністичного характеру. По периметру стін двосвітньої актової зали (виходить на терасу центрального портика) встановлено іонічні напівколони, які несуть антаблемент, що переходить у високі падуги дзеркальної стелі. Освітлене з двох боків приміщення колишньої церкви розташоване в тильному корпусі на одній осі з актовою залою, у міжвіконних простінках оформлено здвоєними іонічними пілястрами, над якими розміщені карнизні гурти й квадратні вікна верхнього світла. Головний корпус училища, що нагадує велику палацову будівлю доби класицизму, належить до числа найкращих архітектурних споруд Києва 1910-х рр. Олексіївське інженерне училище було другим і останнім військово-інженерним навчальним закладом Російської імперії (перше — у Санкт-Петербурзі). Рішення про його відкриття ухвалено 1913, перший набір відбувся 1916. За час існування підготувало два випуски офіцерів інженерних військ. У листопаді 1917, після жовтневих боїв за завод «Арсенал», в яких юнкери-олексіївці брали активну участь і понесли відчутні втрати, навчальний заклад був розформований.
У 1918 за Української Держави, в приміщенні училища діяла Інструкторська школа старшин. Проводила перепідготовку офіцерів воєнного часу, які не мали відповідної освіти. Підготувала чотири випуски офіцерів для української армії.
У цей же час в будинку містилося Головне військово-шкільне управління, яке очолив Юнаків Микола Леонтійович (1871—1931) — генерал-лейтенант російської армії (з 1916), начальник штабу Головного отамана армій УНР і ЗУНР (1919), військовий міністр УНР (1920) і генерал-полковник Армії УНР (з 1920), голова української Вищої військової ради (1921). Управління займалося справами українських військових навчальних закладів: їх відкриттям, перекладом українською мовою та доопрацюванням військових статутів, підручників, програм, виданням книжок з історії України та її війська тощо.
З ініціативи і під керівництвом М. Юнакова створювалась і мала відкритися в приміщенні Олексіївського училища Державна військова академія, чому завадило захоплення Києва військами Директорії.

1919 у цьому будинку містилися Київські інженерні курси Робітничо- селянської Червоної армії (РСЧА). Восени того ж року училище лишилося без господарів.
(1920) тут було розміщено Київську об'єднану вищу командну школу ім. С. Каменева, створену з Іркутських та Казанських піхотних курсів. Готувала кадри середнього командного складу чотирьох родів військ — піхоти, кавалерії, артилерії та інженерних підрозділів Червоної армії. Першим начальником школи був Матіясевич Михайло Степанович (1878—1941) — колишній полковник російської армії, командувач 3-ї та 5-ї армій Східного фронту РСЧА. Згодом цю посаду обійняв Ольдерогге Володимир Олександрович (1873—1931) — колишній генерал російської армії, командувач Східного фронту (1919), помічник М. Фрунзе (1920). До 1931 в школі працювало 13 колишніх генералів, понад 20 полковників та бл. 100 офіцерів російської армії. Більшість з них було репресовано 1931 за т. зв. справою змови колишніх офіцерів організації «Весна». Нова хвиля репресій прокотилася 1937 після смерті колишнього головнокомандувача РСЧА С. Каменева, оголошеного «ворогом народу».
У січні—липні 1924 в об'єднаній школі навчався Ватутін Микола Федорович (1901—44) — військовий діяч, генерал армії (з 1943), Герой Радянського Союзу (1965). У 1943—44 — командувач 1-го Українського фронту, війська якого 6 листопада 1943 визволили Київ від нацистських окупантів. Похований у Києві в Маріїнському парку (див. ст. 252. 3).
У грудні 1921 — серпні 1923 в об'єднаній школі на піхотному відділенні навчався Панфілов Іван Васильович (1893—1941) — військовий діяч, генерал-майор (з 1940), Герой Радянського Союзу (1942, посмертно), командир 316-ї стрілецької дивізії, яка відзначилася 1941 під час оборони Москви. У роки навчання обирався членом виконкому Київської міської ради. Школу закінчив з відзнакою.
Навчальний заклад не раз відвідували відомі військові та державні діячі СРСР, зокрема, С. Каменєв, Г. Петровський, М. Фрунзе.
1935 школу перейменовано на Першу Київську артшколу, 1937 перетворено на Перше Київське артилерійське училище (з серпня 1941 — ім. С. Кірова). 22—26 червня 1941 з особового складу училища було сформовано зведений артилерійський полк (командир — майор Біленко, заступник з політроботи — батальйонний комісар Копнін, начальник штабу — майор Владимиров). Полк, що складався з чотирьох дивізіонів, дислокувався на лівому секторі оборони Київського укріпрайону, на лінії Віта-Поштова — Юріївка — Тарасівка. Командувач сектора — начальник училища полковник С. Волкенштейн.
У ході першого наступу німецьких військ на Київ 10—11 липня 1941 полк упродовж двох діб стримував наступ ворога, що мав перевагу у військовій силі. Більша частина бійців полку загинула.
1959 на фасаді корпусу встановлено білі мармурові меморіальні дошки М. Ватутіну та І. Панфілову з накладними бронзовими лавровими гілками (арх. І. Шмульсон) [947].