Im September 1846 feierten der württembergische Kronprinz Karl von Württemberg und die Großfürstin Olga von Russland ihre Hochzeit im neuerbauten Schloss Wilhelma, das im wesentlichen aus dem Maurischen Haus, einem Badhaus-Gewächshaus-Bau, bestand. An einen zentralen Mitteltrakt schlossen sich gusseiserne Gewächshäuser unmittelbar an, die in rechtwinklig anschließende Eisengalerien übergingen, an deren Ende kleine Kuppelpavillons standen.
Neben dem Maurischen Bau ließ der Vater des Kronprinzen, König Wilhelm I. von Württemberg, nach dem die Anlage benannt ist, von seinem Architekten Karl Ludwig von Zanth auch einen "inneren Garten" und, 1847 einen diesen Garten einschließenden hippodromförmigen Laubengang planen und bauen. Hinter dem Badhaus führten Treppen und Rampen zum 1851 /53 errichteten Belvedere.
Ein Festsaalgebäude stand dem Hauptgebäude , durch einen See getrennt, gegenüber. In der Querachse errichtete man 1852/54 den Bildersaal und das Küchengebäude. Hinter dem Festsaal schloss sich ein Kanal an, der in den Halbmondsee führte, an dessen Ende 1863 die Damascenerhalle erbaut wurde.
Ein bedeutender Bestandteil der Gesamtanlage war das "kleine Sommertheater", das auch dazu dienen sollte, das Badeleben der Stadt attraktiver zu machen. Nachdem von Zanths Pläne 1838 vom König akzeptiert worden waren, begann man 1839 mit der Ausführung und konnte es 1849 eröffnen. Seine prächtige Innenausstattung mit ihrer antikisch-renaissancehaften Atmosphäre wurde in den achtziger Jahren dieses Jahrhunderts nach einer Zeit der Zweckentfremdung und des Verfalls restauriert. Heute ist das Wilhelma-Theater wieder Spiel- und Konzertort.