In der 321 Jahre dauernden Residenzzeit haben die Welfenherzöge an der Wasserburg häufig Umbauten vorgenommen, so dass aus der gotischen Burg ein Renaissance- und schließlich ein Barockschloß wurde. Der Grundriß blieb dabei weitgehend erhalten. Maßgeblicher Baumeister in der Anfangszeit war von 1556-59 Francesco Chiaramella.
Die barocke Außenfassade, die heute das Erscheinungsbild bestimmt, wurde von dem Baumeister Hermann Korb im Auftrag von Herzog August Wilhelm in den Jahren 1714-16 errichtet.
Das Wappen der Welfenherzöge über dem Portal und die Plastiken an der Fassade, auf der Brücke und der Grabenbrüstung sind von 1716.
Das Wolfenbütteler Schloß zählt zu den größten erhaltenen in Niedersachsen.