کاخ موزه سبز شاید جالب ترین و دیدنی ترین کاخ مجموعه باشد که گوشه ای از تاریخ و معماری ایران را به شما نمایش می دهد. بنایی قدیمی که بر بلندترین نقطه مجموعه سعدآباد قرار گرفته و اولین قطعه از زمین‌هایی است که پهلوی اول خریداری کرده است. زمینی با بنائی نیمه تمام متعلق به علیخان والی که با تصمیم او برای ساخت یک کاخ ییلاقی پس از چندین سال تبدیل به قصر سنگی کاخ سبز شد. علیخان یکی از زمینداران سرشناس آن زمان بود و تپه ای كه این كاخ روی آن بنا شده به نام او به "تپه علیخان" معروف است.
این کاخ که تاریخ اتمام ساخت آن بین سال‌های 1300 الی 1308 است، توسط میرزا جعفر کاشی ملقب به معمار باشی ساخته شد و در زمان پهلوی دوم پس از بازسازی و مرمت زیر زمین آن به کاخ شهوند معروف شد.
مساحت این بنا حدود 1203 متر مربع است و در آن می توانید ردپای معماری اصیل ایرانی را ببینید که آن را از دیگر بناها متمایز می‌کند و آیینه‌کاری، گچ‌بری، مقرنس و خاتم‌کاری این موزه بدون شک یکی از بی نظیرترین نمونه های معماری داخلی بناست.
در داخل این کاخ اما مجموعه ای از اشیای دربار، یعنی مبل، ظروف چینی و لوسترهای متنوع اروپایی به چشم می خورد. طبقه اول کاخ سبز در گذشته دفتر کار پهلوی دوم بوده است و در آن هنر ظریف خاتم کاری استاد محمد صنیع دور تا دور اتاق و روی یک گلدان که امضاء استاد بر آن نقش بسته به چشم می‌خورد. روی دیوارهای داخل بنا هم می توانید هنر تذهیب کاری استاد حسین طاهرزاده بهزاد را ببینید.
در نمای خارجی این كاخ از سنگهای سبز معدنی كمیاب خمسهء زنجان استفاده شده و وجه تسمیه كاخ نیز به همین سبب است. دیوارهای بیرون كاخ به سنگ های زیبای كنده كاری شده آراسته و ملات سنگها از سرب است كه مانع شكستن آنها در اثر انبساط و انقباض می شود.در اصلی كاخ از سمت شمال غربی به سوی كوه های البرز باز می شود و چشم انداز آن از سمت جنوب، شهر تهران است.
یكی از زیباترین قسمت های این كاخ تالار آیینه است كه با قالی هفتاد متری كار"عبدالمحمد عمواوغلی" مشهد مفروش شده و تاریخ بافت آن به زمان رضاخان می رسد.
دستگیره درها از برنز مطلا است و دیوارها و سقف تالار آیینه كاری است. روی آیینه ها با گلهایی از گچ تزیین شده است و در بالای تالار آیینه یك دست مبل گوبلن قرار دارد كه مربوط به دوره قاجار و از بیوتات سلطنتی است که عمر میز وسط آن به قرن 18 فرانسه می رسد. پرده ای نقره فام با چوب پرده منبت كاری شده هم پنجره تالار را پوشانده است.
از دیگر وسایل این كاخ كه اغلب از كشورهای اروپایی خریداری شده می توان به چلچراغها، تابلوهای نقاشی، مجسمه ها، مبلهای دوره لوئی شانزدهم و دو میز كنسول مربوط به دوره ناپلئون، ساعت، شمعدان، گلدانهای برنزی، اشیاء كریستال و پیانو اشاره كرد.
