Desde el 23 de julio de 1966 la villa de Palenzuela es Conjunto Histórico-Artístico. Destaca su casco histórico, con sus pendientes y angostas calles, en las que se puede ver todavía excelentes muestras de arquitectura civil.
La iglesia parroquial, de estilo gótico tardío, esta dedicada a San Juan, se comenzó a levantar en el siglo XIV sobre un templo anterior. Presenta unas grandes dimensiones y a pesar de su aspecto de solided, a mediados del siglo XVI se produjo el derrumbre de la torre hundiendo parte de las naves.
Del siglo XIII y estilo gótico ojival es la iglesia de Santa Eulalia, que ha llegado a nuestros días en estado de ruina consolidada desde que perdiera su uso en el siglo XIX al fusionarse con la de San Juan. Destaca la portada gótica con sus arquivoltas, así como la esbelted que presentan las columnas y sus grandes arcos que unen las naves y capillas. La torre almenada fue utilizada como atalaya.
Al otro lado del río se encuentra la ermita de Nuestra Señora de Allende.
En el interior de la villa se levanta el palacio fortificado de los Herrera, que fueran mariscales de Castilla. Esta formado por una sólida torre poligonal construida con buena sillería y una barrera que lo rodea parcialmente.
También se conserva el palacio de los Jalón, donde se alojó en 1813 durante la Guerra de la Independencia el mariscal francés Soult, y al año siguiente José Bonaparte.
Además, en su casco histórico se pueden ver numerosas casas blasonadas.
Las ruinas del castillo, del que se mantienen en pie los restos del lienzo Nordeste y de tres torres, se encuentran en una terraza en el extremo oriental de la villa desde donde se domina el valle del Arlanza.
Construido con gruegos muros de tapial mezclado con restos de cerámica y fragmentos óseos sobre fuertes cimientos de sillería, presenta numerosos huecos dejados por el sistema de sujección de los encofrados utilizados en su construcción.
De la muralla que rodeaba a la villa, construida de mampostería, aún se conservan algunos lienzos formando parte de la tapia del cementerio y de algunos corrales particulares.
Destaca la puerta de sillería que se encuentra oculta en el interior de la Torre del Reloj, anexa al Ayuntamiento, que alberga el museo de Palenzuela.
Junto al Arlanza la Puerta del Río o Arco de la Paz se encuentra frente al puente que cruza el río, permite el acceso al casco histórico a través de una empinada calle que va ha dar a la Plaza Mayor.