เป็นที่ประทับอีกแห่งหนึ่งของสมเด็จพระนารายณ์มหาราช ณ เมืองลพบุรี สมเด็จพระนารายณ์ฯ โปรดฯ ให้สร้างขึ้นเพื่อทรงสำราญพระราชอิริยาบถ เมื่อสมเด็จพระนารายณ์ ประพาสป่าล่าช้างบริเวณภูเขาทางทิศตะวันออก แล้วจะกลับเข้าเสด็จประทับ ณ พระที่นั่งองค์นี้ สร้างขึ้นในปีใดในรัชกาลของพระองค์ใดไม่ทราบแน่ชัด แต่จากการที่พระองค์ได้ทรงต้อนรับ พระราชอาคันตุกะจากประเทศฝรั่งเศส ณ พระที่นั่งใน พ.ศ. 2228 จึงเป็นหลักฐานที่แน่ชัดว่าพระที่นั่งเย็นได้สร้างก่อน พ.ศ. 2228 องค์พระที่นั่งตั้งอยู่บนเกาะกลางทะเลชุบศรซึ่ง ในสมัยโบราณเป็นอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ที่มีเขื่อนหิน ถือปูนล้อมรอบ สภาพปัจจุบันเหลือแต่ผนัง เครื่องบน หักพังหมดแล้ว
ลักษณะทางสถาปัตยกรรมของพระที่นั่งองค์นี้ คือ เป็นพระที่นั่งชั้นเดียวมีผังเป็นทรงจตุรมุข ตรงมุขหน้ามีมุขเด็จยื่นออกมาและมีสีหบัญชรกลางมุขเด็จ สำหรับสมเด็จพระนารายณ์ฯ เสด็จออกซุ้มหน้าต่าง และซุ้มประตูทำเป็นซุ้มเรือนแก้วเป็นแบบแผนที่นิยมทำกันมากในอาคารสมัยนั้น

ในบริเวณพระที่นั่งเย็นมีอาคารเล็ก ๆ ก่อด้วยอิฐอื่น ๆ อีก ซึ่งทำประตูหน้าต่างเป็นแบบโค้งแหลม ซึ่งเข้าใจว่าเป็นที่พักทหาร ด้านหน้าและด้านหลังพระที่นั่งมีเกยทรงม้าหรือช้างด้านละแห่ง
พระที่นั่งเย็น มีความสำคัญในฐานะที่สมเด็จพระนารายณ์ฯ ใช้เป็นสถานที่สำรวจจันทรุปราคา เมื่อ 11 ธันวาคม พ.ศ. 2228 และทอดพระเนตรสุริยุปราคา เมื่อวันที่ 30 เมษายน 2231 ร่วมกับบาทหลวงเยซูอิต และบุคคลในคณะทูตชุดแรก ที่พระเจ้าหลุยส์ที่ 14 แห่งประเทศฝรั่งเศสส่งมาเจริญสัมพันธไมตรี

เหตุที่ได้ใช้พระที่นั่งเย็นเป็นที่สำรวจจันทรุปราคา มีบันทึกของชาวฝรั่งเศสกล่าวว่าเป็นที่เหมาะสม มองท้องฟ้าได้ทุกด้าน และมีพื้นที่กว้างมากพอสำหรับที่จะติดตั้งเครื่องมือยังมีภาพการสำรวจจันทรุปราคาที่พระที่นั่งเย็นซึ่งชาวฝรั่งเศสวาดไว้ เป็นรูปสมเด็จพระนารายณ์ฯ ทรงสวมลอมพอกทรงกล้องส่องยาววางบนขาตั้ง ทอดพระเนตรดวงจันทร์จากสีหบัญชรของพระที่นั่งเย็นและตรงเฉลียงสองข้างสีหบัญชร ด้านหนึ่งมีขุนนางหมอบกราบ อีกด้านหนึ่งมีนักดาราศาสตร์กำลังสังเกตการณ์โดยใช้กล้องส่อง จึงกล่าวได้ว่าการศึกษาวิชาดาราศาสตร์สมัยใหม่เกิดขึ้นครั้งแรกในประเทศไทย ณ พระที่นั่งเย็น เมืองลพบุรี