До кін. 1899 завершено стіни основного об'єму та двох веж, на яких приступили до облаштування дахів зі шпилями. При складенні І. Кітнером повноважень керівника робіт 2 червня 1900 зафіксовано, що в головній будівлі закінчено всі цегляні зовнішні роботи (за винятком балконів навколо веж), зведено склепіння, встановлено дахи; незавершеними залишились оздоблювальні роботи в приміщеннях, парадні сходи, обладнання водопостачання та опалення.
Восени 1900 робітники берлінської фірми «Давид Грове» здійснили влаштування парового опалення та вентиляції, пара для яких подавалася з котельного відділення будівлі механічних майстерень по цегляному тунелю. Оздоблення актової зали, великої фізичної аудиторії механічного відділення та двох прилеглих до них вестибулів, яке тривало до осені 1901, здійснене у романському стилі за проектами арх. О. Кобелєва. Всі ліпні роботи виконав ск. Еліо Сала, тимчасова майстерня якого містилася у цьому корпусі. Він також зробив поруччя та балюстради зі штучного каменю для парадних сходів (за кресленнями
О. Кобелєва), мармурові підвіконня та мозаїчні підлоги в актовій залі та вестибулі. За свідченням арх. В. Обремського, до оздоблення вестибуля й актової зали залучався арх. О. Вербицький, фізичної аудиторії — арх. В. Осьмак. Парадні двері виготовив майстер М. Вейєрміллер. У березні 1901 худ. М. Пимоненко передав написані для актової зали портрети російських імператорів Олександра ІІ та Миколи ІІ. До осені того ж року оздоблювальні роботи було завершено.
Під час 1-ї світової війни корпус використовувався для потреб оборони: з серпня 1914 всю його середню частину, за винятком приміщення бібліотеки, займав шпиталь. 20 жовтня в актовій залі, обладнаній на 140 ліжок, сталася велика пожежа, внаслідок чого обгоріли підлога та стіни, завалилися перекриття.
Після закриття шпиталю (вересень
1915) у приміщенні перебували ополченці. З 1 вересня 1915 в головному
корпусі були організовані авіаційні майстерні, в яких налагодили випуск пропелерів, деталей літальних апаратів, розпочали виробництво аеропланів типу «Альбатрос» й ін. 1916 частина будинку використовувалася для розширення авіаційно-автомобільного відділу механічних майстерень. Протягом 1917 тут містилися піротехнічні майстерні, штаб 1-го Польського стрілецького полку, канцелярія 5-го авіаційного парку. У кін. 1917 — на поч. 1918 — штаб червоногвардійських робітничих загонів. Пізніше приміщення інституту поступово звільнили й відремонтували. У 1922—23 відновлено актову залу. В 1930-х рр. зі східного боку прибудовано енергокрило у спрощених архітектурних формах. У 1970—80-х рр. проведено ремонтно-реставраційні роботи: розчистку мурування фасадів, влаштування гранітних підлог тощо. Головний корпус призначався для розміщення в ньому трьох відділень інституту: механічного, інженерного та сільськогосподарського. Останнє займало перший поверх західної частини будівлі, до якої з тилу була прибудована металева засклена оранжерея (не збереглася). З тилу до центру будівлі прилягає об'єм з актовою залою і два крила з аудиторіями та креслярськими залами механічного й інженерного відділень. У східному крилі головного фасаду влаштовано велку фізичну аудиторію, у центрі фасаду на другому поверсі — розміщувалась бібліотека (до 1979).
Будівля дво— триповерхова з підвалами. Конструктивну основу складають несучі цегляні стіни, склепіння (у вестибулях, коридорах, підвалах) та пласкі перекриття по металевих та дерев'яних балках, у великих залах — підвісні стелі. Фундамент і цоколь виконані з гніванського граніту, вальмові та шатрові (на вежах) дахи з металевими покриттями зроблені по дерев'яних кроквах і фермах. Загальна довжина фасаду — бл. 260 м, площа забудови — 1947,4 кв. сажнів (8666 кв. м), площа приміщень — 4710, 6 кв. сажнів (20962 кв. м). У плані має симетричний за схемою ускладнений П-подібний абрис з відкритими подвір'ями. Перед головним входом утворено парадний курдонер. Внутрішнє планування коридорне, переважно з однобічним розташуванням приміщень. Окрім центрального входу, пов'язаного з парадними тримаршовими сходами, на головному фасаді є ще один вихід під фізичною аудиторією. Зв'язок між поверхами забезпечують десять сходових кліток. Оздоблення фасадів виконано у цегляному стилі зі включенням елементів романсько-готичної архітектури, трактованих раціоналістично та своєрідно. Стіни — у відкритому цегляному муруванні світлих жовтих тонів, цоколь — з колотого сірого граніту. Композиція чолового фасаду майже симетрична з трохи довшим північно-східним крилом. Центральну частину виділено ризалітом з ярусним вхідним порталом і ступінчастим щипцем, на якому напис: «Київський політехнічний інститут». Увінчані щипцями ризаліти влаштовано також на північно-східному й північно-західному крилах. Вхід під фізичною аудиторією оздоблено виступним порталом-тамбуром. Внутрішні наріжжя парадного подвір'я підкреслені гранчастими вежами, призначеними для наукових спостережень, що завершуються високими шатрами з флюгерами. Архітектурно оформлені тильні та бічні фасади. Провідну роль у формуванні образу будівлі відіграють характерні для тогочасних навчальних закладів великі віконні прорізи з лучковими перемичками. Аркові прорізи використані для виділення входів та великих приміщень. Цегляний архітектурний декор складається з міжвіконних лопаток, розвиненого зубчастого карниза, орнаментованих підвіконь. Ошатності силуету надають ступінчасті щипці, прикрашені декоративними трикутними завершеннями, вікнами-розетками та гранчастими у перетині навісними стовпчиками.
Оздоблення парадних приміщень виконано у романсько-ренесансній стилістиці із застосуванням ліплення, штучного і природного каменю. Розташований у центрі головний вестибуль заввишки в один поверх перекрито дев'ятьма хрещатими склепіннями з орнаментованими спіралеподібними опуклими гуртами та замковими каменями-розетками. Підпружні арки спираються на чотири масивні пілони, яким на площині стін відповідають пілястри. Наріжжя пілонів оздоблено витонченими канелюрованими колонками з романськими рослинними капітелями, їхні площини — заглибленими фігурними фільонками. На рівні капітелей проходить смуга фриза, що складається з мотиву хрестоцвіту (пілони, пілястри) та плетениці (стіни), над підлогою — чітко виділена цокольна частина. На рустованій площині бічних стін вирізняються гладенькі дзеркала з фігурними наріжними частинами, в обрамленні вінцевих архівольтів — рельєфні декоративні рондо, заповнені геометричним та рослинним ліпленим орнаментом. Гранітні підлоги настелено у 1970—80-х рр. (замість первісних мозаїчних зі штучного каменю).
На осі вестибуля розташовано урочисті тримаршові сходи з масивними огородженнями зі штучного каменю. Рисунок поруччя включає мотив риб'ячих пухирів, вписаних в ажурні кола. Незвичайною рисою в оздобленні сходів є розміщений на нижніх площинах маршів романський за стилістикою ліплений килимовий орнамент. Центральний марш сходів веде до проміжного майданчика, звідки починаються проходи до актової зали. Стіни проходів рустовані, на другому ярусі над ними влаштовано пов'язане з залою приміщення хорів (лоджій).
Двосвітня актова зала (пл. бл. 450 кв. м) перекрита розбитою на кесони підвісною стелею, декор якої спрощений відносно первісного варіанту (до пожежі 1914 була оздоблена ліпленням). Гладенькі балки кесонів спираються на кронштейни. Тектоніка стін двоярусна: внизу — великі аркові вікна, нагорі — здвоєні прямокутні віконця, під якими простягається смуга рослинно-геометричного орнаменту. На північній стіні — отвори входів (внизу). По периметру зали проходить ошатний широкий фриз з витончених колонок і розеток. Прямокутні віконця обрамлено групами романських напівколон, великі аркові вікна — архівольтами та ліпленим рослинним орнаментом. Вертикальні членування утворені здвоєними міжвіконними лопатками. За кафедрою у трьох нішах західної стіни розміщено полотна з сучасним живописом алегоричного характеру. Підлога паркетна. Для архітектури приміщення характерне поєднання ренесансних принципів загальної побудови й стилізованого романсько-готичного декору.
Цілком ренесансну стилістику має оздоблення інтер'єра фізичної аудиторії, розташованої в лівому (східному) крилі головного фасаду, до якого вона орієнтована амфітеатром (на першому поверсі під ним влаштовано окремий вестибуль). Аудиторія прилягає до коридорів, з якими на рівні першого і другого поверхів пов'язана чотирма симетричними входами. Загальна висота від підлоги до стелі — 13,5 м. Прямокутне в плані приміщення площею понад 380 км. м перекрите підвісною кесонованою стелею зі смугою засклення, що доповнює світло з п'яти розташованих над амфітеатром двоярусних вікон — унизу лучкових, угорі — напівциркульних. Більшу частину приміщення займає крутий амфітеатр з дерев'яними лавами, понижену південну — місце для викладачів з дерев'яною кафедрою. На рівні другого поверху влаштовано балкон-галерею з огородженнями у вигляді балясин. Стіни під балконом оздоблено дощаним рустом, над ним — здвоєними пілястрами тосканського ордера, які підтримують антаблемент. Третій ряд оздоблення включає мотив архівольтів, що повторює форму верхніх віконних прорізів. Виразність архітектурної пластики посилюють різноманітні фільонки й скупо застосовані орнаментальні деталі. Урочисте враження справляє триярусна південна стіна. За кафедрою викладача розміщено декоративний портал з прямокутною нішею дошки для записів. Горішня частина порталу складається з архівольта, декорованого ліпленими вінками, та вінцевого карниза на орнаментованих модульйонах. На осі порталу на третьому ярусі влаштовано декоративний балкон на чотирьох масивних кронштейнах, прикрашених рослинними орнаментами. У профільованому обрамленні під балконом — рельєфна дошка з написом: «Київ. 1901. Північна широта 21"1'50°. Висота над океаном 179». Симетрично розташовані бічні виходи на галерею завершують трикутні сандрики на кронштейнах. Фізична аудиторія — найкраще лекційне приміщення політехнічного інституту.
Архітектурну характеристику інших парадних приміщень головного корпусу вирізняють не стільки декоративні, скільки конструктивні деталі. Надзвичайно виразну анфіладу коридорів визначає рівномірний ритм хрещатих склепінь на профільованих імпостах. Інтер'єри вестибуля під фізичною аудиторією та великого приміщення під актовою залою (тепер буфет) прикрашають хрещаті склепіння, що спираються на підпружні арки.
За архітектурно-мистецькими якостями головний корпус КПІ є однією з найкращих споруд Києва навчального призначення кін. 19 — поч. 20 ст. Заняття студентів в окремих приміщеннях недобудованого корпусу розпочалися ще 1899, у 1900—01 сюди було переведено три відділення інституту, канцелярію і бібліотеку. На першому поверсі в кабінеті директора у кімнаті № 5 (тепер № 157) працював один із засновників інституту проф.
Кирпичов Віктор Львович (1845— 1913) — вчений у галузі механіки, педагог, організатор вищої технічної освіти в Росії та Україні, перший директор КПІ (1898—1902).
У кабінеті директора (пізніше — ректора), що розміщувався спочатку у кімнаті № 157, згодом — № 146, працювали відомі вчені і педагоги, професори КПІ, які очолювали вуз в наступні роки: у 1902—04 — Коновалов Михайло Іванович (1858—1906); у 1904—05 — Зворикін Костянтин Олексійович (1861—1927); 1905—06 — Чирвинський Микола Петрович (1848—1919); у 1906-08 — Тимофєєв Володимир Федорович (1858—1923); 1908—11 — Дементьєв Костянтин Григорович (1864-1916); 1911—17 — Жуков Іван Діомидович (1860 — ?); 1917—19 — Єрченко Петро Феофанович (1868—1927); 1919 – Де-Метц Георгій Георгійович (1861—1947); 1919—20 — Ступін Олекса Якович (1869—1928); 1920—21 — Веселовський Сергій Феофанович (1878 — ?); 1921 — Кухаренко Іван Антонович (1880—1938); 1921—29 — Бобров Вікторин Флавіанович (1884— 1946); 1929—30 — Мельников Дмитро Федорович (1882— ?); після реорганізації у 1934—36 — Єфімов Микола Пилипович (1897—1937); 1937 – Жихарєв Павло Григорович; 1937-41 – Шпилько Микола Пилипович (1908—41).
У жовтні 1941 під час тимчасової нацистської окупації міста колегія професорів обрала ректором КПІ голову УНРади проф. Величківського Миколу Івановича (1882—1976) — економіста, громадсько-політичного діяча. Зазнав політичних репресій 1938—40. У 1941 –одночасно викладав у Київському університеті, очолював Інститут економіки, статистики і географії при Академії наук у Києві. Після заборони окупаційною владою УНРади і закриття КПІ у лютому 1942 був заарештований. З квітня 1944 — голова новоутвореної у Львові Всеукраїнської національної ради, з 1945 — на еміграції.
В повоєнні роки інститут очолювали відомі вчені.
1944—52, 1955—71 — Плигунов Олександр Сергійович (меморіальна дошка на хімічному корпусі. 1952 -55 – Гріднєв Віталій Никифорович (1908—90) — фізик, акад. АН УРСР (з 1967), заслужений діяч науки УРСР (з 1982). Працював у КПІ в 1945—55, завідувач кафедри термічної обробки сталі (з 1948). У 1955—85 — директор Інституту металофізики АН УРСР.
У вересні—грудні 1955 — Швець Іван Трохимович (1901—83) — вчений у галузі теплоенергетики, акад. АН УРСР (з 1950), заслужений діяч науки і техніки УРСР (з 1959). Після закінчення КПІ (1927) залишився на викладацькій роботі (до 1955), декан теплотехнічного факультету і завідувач кафедри теплотехніки (з 1934). Одночасно — директор Київського філіалу Харківського інституту енергетики (з 1939), потім — Інституту теплоенергетики АН УРСР (1947—52, 1954—55; тепер Інститут технічної теплофізики НАН України), головний учений секретар Президії АН УРСР (1950—53). 1971—87 — Денисенко Григорій Іванович (1919—98; меморіальна дошка на будинку бібліотеки КПІ).
904 інженерне відділення дістало організаційну самостійність. Його першим деканом був до 1906 Рузський Дмитро Павлович (1869— ?) — вчений у галузі прикладної математики і гідравліки. 1898 розпочав педагогічну діяльність в КПІ за рекомендацією М. Жуковського. 1911 на знак протесту проти скасування автономії вищої школи подав у відставку.
1970-79 у великій просторій залі на другому поверсі (тепер кімнати № 249, 251, 253, 255) розміщувалася фундаментальна науково-технічна бібліотека (раніше – у хімічному корпусі). Її організатором і завідувачем у 1898—1902 був Біляшівський Микола Федотович (1867—1926) — археолог, етнограф, мистецтвознавець, почесний акад. УАМ (з 1918), акад. УАН (з 1919), один із засновників і перший директор (1902— 23) Київського художньо-промислового і наукового музею. За час його роботи бібліотеку КЙІ було укомплектовано необхідною науковою і педагогічною літературою, налагоджено зв'язки із закордонними книжковими фірмами, розпочато каталогізацію і систематизацію фондів.
У цьому будинку у великій фізичній аудиторії 30 жовтня 1905 відбувся перший пленум Київської Ради робітничих депутатів. Присутні на ньому делегати від дев'яти найбільших підприємств міста — заводів «Арсенал», «Гретера і Криванека», Південноросійського, Головних майстерень Південно-Західної залізниці та інших — обрали бюро, на другому пленумі (6 листопада) — голову Ради робітника заводу «Гретера і Криванека» Ф. Алексєєва. У другій половині листопада до її складу входило вже понад 40 членів. У цей період Київська Рада робітничих депутатів відігравала значну роль в розгортанні революційних виступів у місті. Зокрема, у грудні 1905 вона стала центром і єдиним визнаним органом влади т. зв. Шулявської республіки, створеної робітниками цього району (проіснувала до 17 грудня 1905). Зазначеним подіям присвячено мармурову меморіальну дошку, встановлену на головному навчальному корпусі 1955 та пам'ятник, розташований перед фасадом будинку. 1959 відкрито мармурову меморіальну дошку (1977 замінено на гранітну, арх. І. Макушенко) в пам'ять про перебування у будинку в кін. 1917 — на поч. 1918 бойового штабу червоногвардійських загонів Шулявки. Керував ним Довнар-Запольський Всеволод Митрофанович (1898—1919) — член Київського комітету РСДРП (з 1917). Один з керівників жовтневого 1917 й січневого 1918 збройних повстань у Києві. Секретар Київського губкому КП(б)У (з 1919). Син історика, професора Київського університету М. Довнар-Запольського.
На фасаді будинку встановлено також меморіальні дошки на пошанування громадсько-політичних діячів, представників вітчизняної науки і техніки, які тут навчалися або працювали:
1968 — бронзову (ск. К. Кузнецов, арх. В. Гнєздилов) з барельєфним портретом Корольову Сергію Павловичу (1906—66) – вченому в галузі ракетно-космічних систем, акад. АН СРСР (з 1958), двічі Герою Соціалістичної Праці (1956, 1961), генеральному конструктору перших у світі штучних супутників Землі й космічних кораблів, який очолював розробку і запуск перших автоматичних міжпланетних станцій (АМС) «Зонд». Під час навчання на механічному факультеті (1924—26) був членом Авіаційного науково-технічного товариства, що діяло при інституті. У цей період мешкав на вул. Костьольній, 9 (див. ст. 230.5). 1984 на другому поверсі лівого крила головного корпусу (кімната № 249) створено меморіальну аудиторію й музей вченого.
1971 – бронзову з барельєфним портретом (ск. І. Макогон, арх. М. Катернога) Патону Євгену Оскаровичу (1870 – ) – вченому у галузі мостобудування й електрозварювання, акад. ВУАН (з 1929), заслуженому діячеві науки УРСР (з 1940), Герою Соціалістичної Праці (1943), віце-президенту АН УРСР (1945—52).