Три дубових дверей вводять в приміщення агатових кімнат. Двері наліво - в передню, звану Кабінетцем; середня двері ведуть в Великий зал, двері направо - в Бібліотеку і на сходи на перший поверх. Основний обсяг павільйону займають Великий зал і два кабінети, розташовані по боках.
На обробці парадних приміщень агатових кімнат Ч. Камероном був зроблений основний акцент: інтер'єри агатових кімнат оздоблені мармуром, кольоровий уральської і алтайської яшмою. обробка якої в Росії досягла в XVIII столітті досконалості.
Ще в XVI столітті на Уралі були відкриті родовища твердих кольорових каменів, проте в той час ще не знали способів їх обробки. Великий інтерес до використання «кольорових каменів» в обробці палацових інтер'єрів виявляв імператор Петро I. заклав основи для розвитку камнерезного справи в Росії. За його указом в 1725 році в передмісті Санкт-Петербурга - Петергофі відкрилася перша в Росії гранильная фабрика. де стали виготовляти вироби з кольорових каменів і навчати майстрів по каменерізного мистецтва.
В середині XVIII століття серед російської аристократії поширилося захоплення мінералогією. У 1765 році за указом Катерини II на Урал відправилася експедиція на чолі з Я. Данненберг, що відкрила нові родовища яшми, агатів. сердоліків і інших мінералів. До початку 1780-х років на російських гранувальних фабриках була розроблена технологія отримання виробів з твердих самоцвітів.
Камерон отримав вказівку Катерини II підготувати проект оздоблення яшмою кімнат другого поверху Холодних бань навесні 1783, після чого зробив нові ескізи для двох кабінетів - виконання робіт за попереднім проектом було зупинено. Відповідно до його задумом стіни кабінетів були обрубані на дев'ять сантиметрів і покриті вапняковими плитами, облицьованими яшмою. Особливі труднощі представляли завершуються роботи - шліфування та полірування кольорового каменю, покликані виявити яскравість фарб і соковитість тонів. Виконуючи полірування, слід було довести до скляного блиску близько двохсот квадратних метрів стін, наличників і карнизів. Ця робота проводилася російськими майстрами вручну. Стіни двох приміщень другого поверху були облицьовані пластинами Уразовський яшми темно-червоного кольору з вкрапленням білого кварциту, яку в XVIII столітті називали «м'ясним агатом», в зв'язку з чим інтер'єри отримали назву агатових кімнат.
Набірний паркет, виконаний за ескізами Фельтена. був привезений з недобудованого палацу Олександра Ланського. Менший за площею, він був доповнений паркетом за ескізами Камерона.
У роки Великої Вітчизняної війни німецькі окупанти не пощадили яшмову облицювання і штучний мармур стін агатових кімнат. У всіх приміщеннях були знищені бронзові орнаменти; безслідно зникли мармурова скульптура, шість яшмових ваз, дев'ять бронзових скульптурних груп зі стін яшмові кабінету, бронзові барельєфи-медальйони з тумб торшерів Великого залу. Незважаючи на це, обробка агатових кімнат, в основному, збереглася з XVIII століття. В даний час кімнати відкриті для відвідувачів.