Stara Oranżeria, wzniesiona w latach 1785–1788 wg projektu nadwornego architekta Dominika Merliniego, jest jednym z najpóźniej zrealizowanych królewskich projektów w Łazienkach. To tu mieści się Teatr Królewski – jeden z kilku w Europie oryginalnych XVIII-wiecznych teatrów dworskich, który od 2015 roku znajduje się na Trasie Bałtyckiej Europejskiego Szlaku Teatrów Historycznych. Można poznać Starą Oranżerię przy pomocy dotyku dzięki modelowi.

W Starej Oranżerii znajduje się również Królewska Galeria Rzeźby z kolekcją marmurowych posągów, jak i gipsowych kopii najważniejszych dzieł starożytnych i nowożytnych oraz tzw. „Kolumnada Kamsetzera” którą tworzą kopie starożytnych posągów ustawionych w szereg na tle iluzjonistycznie malowanej architektury i włoskiego pejzażu.
W czasach Stanisława Augusta Stara Oranżeria służyła również przechowywaniu drzewek egzotycznych, które latem dekorowały królewskie ogrody.

Dekoracja Teatru Królewskiego opiera się na symbolice appolińskiej. Na plafonie Jan Bogumił Plersch przedstawił Stanisława Augusta pod postacią Apolla na kwadrydze (1787 – 1788). Król-Apollo w otoczeniu najważniejszych dramaturgów – Sofoklesa, Szekspira, Moliera i Racine’a, jawi się jako słońce zasiadające na tronie. Stanisław August odwołał się tu nie tylko do mitologii czy wzorców płynących z Wersalu, ale również do teorii heliocentrycznych.
Dopełnieniem monumentalnej wizji na plafonie była niezachowana sceniczna kurtyna. Ukazywała ona Apolla przewodzącego muzom zgromadzonym na Helikonie, którym stały się teraz Łazienki. Teatr Królewski w Starej Oranżerii przedstawiał nie tylko wizję idealnego państwa rządzonego przez króla-Apolla, ale również alegorię królewskiego mecenatu i kolekcjonerstwa.
Uzupełnieniem mitologicznej sceny na plafonie jest obiegający teatr, iluzjonistycznie malowany ciąg lóż z wyobrażeniem XVIII-wiecznej widowni.

We wschodnim skrzydle Oranżerii mieszczą się sale edukacyjne – sala warsztatowa nawiązująca wyglądem i funkcją do XVIII-wiecznej formiernii i sala projekcyjna oraz Galeria Rzeźby Polskiej z prezentująca dzieła polskich artystów z XIX i XX w.