Архитектурное оформление фасадов павильона построено на контрасте верхнего и нижнего этажей. Южный фасад Агатовых комнат, обращенный к партеру Висячего сада, выглядит как самостоятельная одноэтажная постройка, а со стороны Екатерининского дворца – Агатовые комнаты воспринимаются как второй этаж, опирающийся на монументальную каменную аркаду нижнего, в котором размещалась Холодная баня. Южный фасад Агатовых комнат декорирован колоннами и ротондой ионического ордера, в нишах установлены скульптуры – аллегории Воды, Воздуха, Земли, Огня и копии античных статуй, в медальонах размещены барельефы с аллегорическими изображениями.
На протяжении 225-летней истории памятника ремонтно-реставрационные работы по фасадам проводились неоднократно. В 1857 г. под руководством архитектора А.Ф. Видова были отремонтированы фасад и кровля павильона, пол в ротонде и тротуар, купол был перекрыт новым рольным свинцом. Старая краска на фасадах была удалена, и стены окрашены известковым колером. В 1885 г. крыша павильона частично была перекрыта черным железом и заново промазаны фальцы. Производились работы по отводу воды от стен здания. Капитально ремонтировались фасады и мраморный пол. Столярный мастер К. Гринберг изготовил заново из красного дерева 15 оконных летних переплетов, произвел большую починку зимних рам, исправил оконные коробки, сменив нижние части и пороги, отремонтировал двери.
В 1953-1955 гг. производилась реставрация фасадов и ремонт кровли. Фасады и кровля ремонтировались также в 1973 г., в 1992-1993 гг. В 2009 г. проведен ремонт стропильной системы, кровли, каменной облицовки фасадов первого этажа и водоотвода от стен павильона «Холодная баня». В 2010 г. проведены работы по гидроизоляции и водоотводу от стен павильона со стороны Висячего сада. В 2010-2013 гг. осуществлена реставрация интерьеров Агатовых комнат, в процессе которой выполнен реставрационный ремонт столярных заполнений второго этажа.
К 2013 г. фасадам второго этажа потребовался ремонт и реставрация: штукатурный и окрасочный слои стали осыпаться; на лепном декоре медальонов, плафона ротонды, наличников и стен появились трещины, сколы и мелкие утраты; каменные базы колонн, тяги и венчающий резной из пудостского камня карниз местами выветрились, на камне также появились трещины и сколы; линейное окрытие горизонтальных тяг корродировало; кованые решетки балконов многократно закрашены масляной краской; авторская огневая позолота декоративных элементов решеток скрыта под слоями краски. Скульптуры в нишах, вырезанные из пудостского камня, за долгую жизнь получили многочисленные повреждения и утраты, которые в некоторых местах грубо восполнялись цементными вставками и докомпановками.
В процессе реставрации были выполнены следующие работы:
- реставрация штукатурной отделки,
- реставрация декора из естественного камня,
- реставрация архитектурно-лепного декора,
- реставрация металлических декоративных ограждений,
- расчистка от масляных наслоений и реставрация позолоты накладных металлических элементов,
- реставрация скульптур,
- замена линейных окрытий,
- реставрация окраски штукатурных, лепных, каменных, металлических элементов декора фасада.
Работы выполнялись ООО «Лапин-Энтерпрайз» (реставрация фасадов) и ООО «Царскосельская янтарная мастерская» (реставрация скульптур). Завершить работы планировалось в декабре 2013 года, однако окончательная приемка работ была произведена в июне 2014 года.
Задержка планируемых сроков обусловлена длительным устранением ООО «Лапин-Энтерпрайз» замечаний, связанных с реставрацией фасадов, а также в связи с выявленными после демонтажа и расчистки скульптур дополнительными объемами работ по укреплению камня и восполнению утрат, возложенными на ООО «Царскосельская янтарная мастерская».