Zamek składał się z dwóch części. Starszego zamku ulokowanego na wyspie, który został zbudowany na planie czworoboku z dwoma równoległymi budynkami oraz wieżą bramną z jednej strony i kaplicą na osi z drugiej strony dziedzińca. Dwudomowy schemat zamku w Ćmielowie miał analogie w takich zamkach jak Łowicz, Gosławice, Borysławice, Kórnik, Sieraków. Drugą częścią zamku był zespół zabudowań na terenie przedzamcza z drugą wieżą bramną, do której przylegają dwa budynki mieszkalne na planie litery L połączone zamkową kaplicą. Kaplica na zamku na wyspie składała się z nawy i zamkniętego wielobocznie prezbiterium. Była ona ulokowana w przyziemiu. Ponad nią znajdowały się pomieszczenia mieszkalne. Brama przejazdowa na przedzamczu znajduje się w przyziemiu wieży. Otwory wyjazdowe mają kształty ostrołukowe z ciosowymi obramieniami. Po obydwu stronach otworu bramnego znajdują się strzelnice kluczowe. W 1524 na zamku Ćmielów prowadził późnogotyckie prace kamieniarskie mistrz Jan z Koszyc (Johanes Civis Cassoviensis), zatrudniony poprzednio na Wawelu. Ponad bramą na przedzamczu umieszczona była tablica fundacyjna z 1531 w renesansowym obramieniu. W 1549 na zamku urodził się Mikołaj Krzysztof Radziwiłł „Sierotka”. Potem zamek należał do Jana Krzysztofa Tarnowskiego.