พระที่นั่งอุดมวนาภรณ์ เป็นพระตำหนักที่อยู่ทางทิศตะวันออกของพระที่นั่งไวกูณฐเทพยสถาน ในบริเวณที่เข้าใจว่าเดิมมีอาคารซึ่งเรียกกันว่า ตึกคลัง ส่วนพระที่นั่งองค์นี้น่าจะสร้างขึ้นในระยะหลัง จึงมีลักษณะต่างไปจากพระที่นั่งองค์อื่นๆ  คือ เป็นอาคารสูง ๒ ชั้นที่เรียบง่าย หลังคาลาดชันน้อยกว่า ไม่มีการตกแต่งด้วยจิตรกรรมเขียนสีปูนแห้งตามเพดานและผนัง แต่ประดับด้วยกระเบื้องเคลือบสีขาว เน้นบริเวณประตูทางเข้าและบันไดขนาดใหญ่ตรงกลางบันไดหลักของห้องโถงราว บันไดเป็นเหล็กหล่อทำลวดลายคล้ายกับลายแบบอาร์ตนูโว

      นอกจากนั้นยังมีบันไดเวียนทำด้วยเหล็กหล่อทั้งโครงสร้าง ขั้นบันไดและลูกกรงเป็นแบบที่ได้รับอิทธิพลต่อเนื่องมาจากสมัยรัชกาลที่ ๕ ซึ่งมักจะทำด้วยไม้ แต่ขณะนั้นวัสดุก่อสร้างมีวิวัฒนาการมากขึ้น จึงหันมาใช้เหล็กหล่อ ประตูกระจกเขียนลายกุหลาบ  ห้องชั้นบนมีลักษณะการวางผังเหมือนกันทั้งซ้ายขวา ชั้นล่างเป็นห้องโถงกว้าง

      พระที่นั่งองค์นี้เดิมอาจไม่เกี่ยวกับหมู่พระที่นั่ง ๓ องค์แรก แต่ต่อมาได้เป็นที่ประทับของพระนางเจ้าสุวัทนาพระวรราชเทวี และพระสุจริตสุดาพระสนมเอก ในภายหลังจึงได้ต่อสะพานเชื่อมในระดับชั้นที่ ๒ สะพานนี้เป็นคอนกรีตเสริมเหล็กช่วงยาวมากกว่าปกติ นับเป็นเครื่องแสดงให้เห็นความก้าวหน้าทางโครงสร้างอีกระดับหนึ่งด้วย