Le château de Vieulaines se situe dans le hameau éponyme, dans la commune de Fontaine-sur-Somme. Implanté en contrebas au nord de la route d’Abbeville, il occupe le sud-ouest de son parc. Ce dernier est délimité par un mur en pierre et brique. La ligne de chemin de fer Paris-Boulogne-sur-Mer, au nord du château, sépare le parc en deux parties. L'ensemble du domaine se compose du château, associé à une serre, dépendances, pigeonnier, terrasse et jardins d'agrément et potager.

Le château se compose d’un corps de logis central de plan rectangulaire, cantonné de pavillons annexes en prolongement à l'est et à l'ouest. La partie centrale présente une élévation ordonnancée de cinq travées avec sous-sol, un étage carré et comble. Il est construit en brique avec double cordon mouluré soulignant la séparation de niveau en pierre de taille. Ce matériau se retrouve en corniche et en tableau d'encadrement de baies. les pignons d'élévation sont en pierre de taille accentués par des contreforts saillants surmontés de bobéchons. Le soubassement en brique se distingue du reste de l'élévation par une couleur plus rouge que le reste de l'élévation. Ce corps central est couvert d'un toit en ardoise, à longs pans et pignons découverts. Il est éclairé d'une seule lucarne axiale du côté sud, à fronton triangulaire orné d'un motif trilobé, et couronnée d'un petit pinacle en pierre.

Du côté nord, la façade est plus travaillée. Elle présente un avant-corps, à refends au rez-de-chaussée et cannelé au premier étage, encadré de pilastres ioniques. La large porte d'entrée en plein cintre précédée d'un escalier de pierre à six degrés ouvre sur le vestibule. Elle est surmontée à l'étage d'un élégant balcon en fer forgé accessible par une porte-fenêtre. L'ensemble est couronné d'un fronton cintrée.

Les ailes latérales sont construites en pierre de taille calcaire de moyen appareil sur un soubassement de brique. Moins hautes que le corps central, elles présentent une élévation de deux travées avec rez-de-chaussée et comble à surcroît. L'une des deux travées est accentuée par la présence d'une large lucarne passante qui surplombe la porte d'entrée à l'est. Ces deux pavillons sont à leur tour prolongés par d'autres pavillons annexes, en retrait de la cour d'honneur et plus bas, élevés simplement d'un rez-de-chaussée et comble. Ils bénéficient également de toitures distinctes en ardoise, à longs pans et pignons découverts. Côté ouest le pavillon est précédé d'une serre en structure métallique. Les élévations nord, plus soignées, présentent une série de lucarnes éclairant les combles dans le prolongement vertical des baies de l'élévation.

Au sud, le château donne sur une cour d'honneur encadrée de dépendances couvertes en appentis et d'un pigeonnier polygonal en brique implanté en retour, à l'est. À l'ouest, la cour d'honneur est fermée par un mur de brique avec grille de passage sur une terrasse intermédiaire en contrebas, aménagée d'un bassin rectangulaire encadré de buis. La volière mentionnée sur le plan de 1870 n'existe plus ou n'a pas été réalisée.

Du côté nord, regardant vers le parc et la vallée de la Somme, une grande terrasse rectangulaire prend place sur toute la largeur du château. Elle est prolongée dans sa partie centrale d'une partie semi-circulaire dans laquelle vient se loger un bassin circulaire avec jet d'eau. L'ensemble est délimité d'une balustrade en pierre. Cette terrasse surplombe le jardin qui s'étend en contrebas. La déclivité importante permet un accès aux caves voûtées en pierre du château.

L'espace intérieur est articulé de part et d'autre du vestibule central. Il dessert à l'est, en enfilade, le grand salon, le petit salon de style Louis XV, au devant duquel est adossé la serre. De l'autre côté, à l'ouest, se développe un autre salon, dit salon Louis XVI qui communique avec la salle à manger et les cuisines.

À l'étage, desservi par le grand escalier en chêne tournant à retour et rampe en fer forgé, un grand couloir donne accès à six chambres et une salle de bain. L'une d'elles, de style Louis XV, est ornée de boiseries et d'une cheminée de marbre. La mezzanine donne accès au petit balcon qui, du côté nord, permet d'apprécier la vue sur le parc et la vallée de la Somme.