Tahminen Endülüs Sarayı’nın kısmının bu saray için yıkıldığı düşünülüyor. Yapımına 1526 yılında başlanmış. Yüksek tavanlı iki kattan ve ortasında 31 metre çapında dairesel boşluktan oluşuyor. Mimarı, Michelangelo’nun yanında Roma’da eğitim gören Pedro Machuca. Bu sebeple mimarinin İtalyan tarzında olduğu söyleniyor. Saray hacim itibariyle İspanyol Rönesans döneminin en büyük eseri sayılıyor.
Kastilya Kralı 2. Ferdinand’dan sonra tahta geçen Güzel Filip’in oğlu olan 5. Carlos (1519-1556) kral olduktan sonra Granada’yı ziyarete geldiğinde Elhamra Sarayı’nın Lindaraja Bahçesindeki odalarda ağırlanır. Ancak buradaki saray düzenine ayak uyduramayınca burada kendi adına bir saray yaptırmaya karar verip hakimiyeti altındaki Müslümanlardan “özel vergi” olarak toplattığı 80.000 Düka altınıyla inşaatı başlatır.
Mimar Machuca, Endülüs Sarayı’ndan daha görkemli ve daha geniş bir saray yapmaya yeltenir, Ancak ortaya çıkan eser hantal, detay ve işçilikten yoksun olur. 1556’da Carlos’un yerine kral olan 2. Filip belki bu sebepten (ya da sebebi anlaşılmaz şekilde) yapımı durdurup El Escorial kasabasında bir manastır yapımına girişir.
5. Carlos Sarayı'nın zemin katı, günümüzde Elhamra Müzesi (Museo de la Alhambra) olarak hizmet veriyor. 1870 yılında kurulan bu müzeye sarayın güney ucundaki kapıdan giriliyor. Endülüs medeniyeti döneminden kalma taş ve tahta işleme, mozaik, kakmacılık, çinicilik gibi pek çok sanat dalından örnekler bu müzede sergilenmekte. Binanın üst katı ise Güzel Sanatlar Müzesi (Museo de Bellas Artes) olarak kullanılmaktadır. Burada da 15. yy ile 20. yy arasında yaşamış çeşitli İspanyol ressamların tabloları, heykeller ve bazı el işleme örnekleri var.