पूर्व किले के अहाते के भीतर स्थित, पद्मनाभस्वामी मंदिर अपने पत्थर की नक्काशी और भित्ति चित्रों के लिए प्रसिद्ध है। इस मंदिर में भगवान विष्णु अनंत नाग पर विराजमान हैं। वह इस मंदिर के पीठासीन देवता हैं, जिन्हें भारत में 108 पवित्र तीर्थस्थलों में से एक या भगवान विष्णु का दिव्य देश माना जाता है। भागवत गीता के  पवित्र पाठ के अनुसार, भगवान कृष्ण के बड़े भाई, बलराम इस मंदिर में आए थे, जो द्रविड़ और केरल स्थापत्य शैली का संगम है।

यह माना जाता है कि मंदिर में एक रहस्यमयी तिजोरी है जिसे किसी भी मनुष्य द्वारा नहीं खोला जा सकता है। ऐसा कहा जाता है कि यदि लोग ऐसा करने का प्रयास करते हैं, तो मंदिर परिसर में ही नहीं, तबाही, उसके आसपास या पूरे भारत में होगी। हिंदू धर्म का पालन करने वाले ही केवल इस मंदिर में प्रवेश कर सकते हैं और साथ ही क्या पहनकर आना है, यह भी तय है। मंदिर की वर्तमान संरचना मार्थांड वर्मा द्वारा करवाए गए नवीकरण का परिणाम है, जो कि अधिक लोकप्रिय और प्रसिद्ध त्रावणकोर राजाओं में से एक है। उन्होंने मंदिर में मुरजापम और भद्रा दीपम के त्योहारों की शुरुआत की। मुरजापम में लगातार प्रार्थनाएं की जाती हैं  और हर छह साल में एक बार पद्मनाभस्वामी में इसे आयोजित किया जाता है।पीठासीन देवता की मूर्ति इस तरह से अद्वितीय है कि इसमें नेपाल में गंडकी नदी के तट से लिए गए 12,000 से अधिक शालिग्राम (जीवाश्म शैल, जिन्हें भगवान विष्णु का प्रतीक माना जाता है) शामिल हैं। यह 18 फीट लंबा है, एक पत्थर की पटिया पर रखा गया है, और कक्ष के तीन दरवाजों से दिखाई देता है। यहां नरसिम्ह स्वामी (भगवान विष्णु का आधा सिंह, आधा मनुष्य अवतार), भगवान गणेश और गज लक्ष्मी की आदमकद प्रतिमाएं भी हैं। एक ध्वज पोस्ट, जिसे ध्वज स्तंभ के रूप में जाना जाता है, में सोने की परत चढ़ीं तांबे की चादरे हैं। बाली पेड़ा मंडप और मुख मंडप जैसे हॉल की दीवारों पर देवताओं के चित्र चित्रित हैं, जबकि नवग्रह मंडप की छत सौर मंडल के नौ ग्रहों को दर्शाती है। निचली मंजिलों में ड्रामा हॉल है, जहां कथकली का प्रदर्शन मलयालम महीनों में मीनाम (मार्च-अप्रैल) और थुलम (अक्टूबर-नवंबर) के दौरान होता है। मंदिर का गलियारा एक और उत्कृष्ट कृति है, जिसके दोनों ओर नक्काशीदार ग्रेनाइट-पत्थर के खंभे हैं।मंदिर एक सख्त ड्रेस कोड का पालन करता है, जिसके अनुसार पुरुषों को धोती पहननी चाहिए और महिलाओं को साड़ी, आधी साड़ी या स्कर्ट और ब्लाउज पहनना चाहिए।