Palmhuset är ett stort växthus byggt i gjutjärn och glas i Trädgårdsföreningen. Palmhuset har en yta på nästan 1 000 kvadratmeter.
Georg Löwegren, Trädgårdsföreningens dåvarande direktör, ville anlägga ett stort växthus i parken. Trots de höga kostnaderna beslöt man att uppföra Palmhuset, med Crystal Palace i London som förebild. Palmhuset beställdes i Skottland. Byggnaden ritades av Alexander Shanks & Son i Arbroath. Kostnaden blev 165 000 kronor, och bygget finansierades med obligationslån från allmänheten. Palmhuset färdigställdes på hösten 1878. Det kallades då för den Nya vinterträdgården. Trots en hög entréavgift blev det mycket populärt hos göteborgarna.
Palmhuset består av fem byggnadskroppar som bildar en symmetrisk helhet. Delarna ligger vinkelrätt mot varandra. Mittdelen skjuter fram sin gavel och dominerar genom sin väldiga volym. Samma tema går igen i de yttersta flyglarna som visar sina gavlar men i underordnad skala. Vinkelrätt och som förbindelselänk mellan dessa delar går sidoskeppen som har långsidorna utåt. De är något högre än flyglarna, men betydligt mindre än mittskeppet. Samtliga fem byggnadskroppar kröns av en lanternin utmed hela taklängden. Hela växthuset upptar en yta på cirka 925 kvm och mittskeppet är 14,5 meter som högst. När Palmhuset stod färdigt 1878 fanns inte det lilla entréhuset på mittskeppets framsida. Det byggdes till först 1890.
I Palmhusets mellersta del, som har den högsta takhöjden, finns ett trettiotal olika växter – bland annat de palmer (Arecaceae) som gett byggnaden dess namn. Ibland anordnas utställningar i denna del. På var sida om mittsektionen finns två andra rum, Tropikhuset och Vattenhuset i öster samt Medelhavshuset och Kameliahuset i väster.
Palmhusets huvudmaterial är gjutjärn och glas. Vissa balkar var dock gjorda av trä, speciell Kanadafur, som skulle vara motståndskraftig mot fukt. Gjutjärnspelarna vilade direkt på en granitsockel.
Åren 1980-85 restaurerades Palmhuset i sin helhet, efter att stora sättningar i grunden konstaterats och orsakat skador på husets gjutjärnsstomme. Huset behövde även ny grundläggning, nya bärande pelare och huvudbågar samt nya horisontella balkar. Kostnaden för arbetet uppgick till cirka 17 miljoner kronor, där Riksantikvarieämbetet stod för en tredjedel.