Het paviljoen werd gebouwd tussen 1762 en 1768 door Ange-Jacques Gabriel als een klein kasteel met een vierkante plattegrond. De vier gevels zijn onderling verschillend van stijl. De voorgevel heeft vier hoge Korinthische zuilen.
Het Petit Trianon was een geschenk van Lodewijk XV aan madame de Pompadour. Omdat zij vóór de voltooiing stierf, nam hij het gebouw in gebruik met Madame du Barry, een van zijn andere maîtresses. Marie Antoinette kreeg het in 1775 cadeau van Lodewijk XVI. Ze liet het park eromheen, dat voordien tijdens de daguren toegankelijk was voor het publiek, afsluiten en liet de bijhorende serres afbreken. Het in 1775-1784 voor Marie-Antoinette ontworpen lusthof van het Petit Trianon bevat onder andere:
Marie Antoinette trok zich graag terug in het Petit Trianon, in het gezelschap van maar enkele hofdames, haar kinderen of haar schoonzus Madame Elisabeth. Ze verbleef hier in totaal 116 dagen gedurende haar tienjarig verblijf in Versailles. In het interieur liet ze een nieuw boudoir inrichten en in het smeedwerk van de vestibule liet ze haar initialen aanbrengen.
Het werd in de 20e eeuw uitgebreid gerestaureerd. Het Petit Trianon en de achterliggende tuinen zijn opengesteld voor publiek.
Petit Trianon op een kaart met de omliggende tuinen
Westelijke facade
Navolging
In het Oost-Vlaamse Wannegem-Lede (België) ligt een achttiende-eeuws kasteel dat weleens het Belgische Klein Trianon wordt genoemd. Het is gebouwd in classicistische of Lodewijk XIV-stijl in 1785-1786. Het kasteel en park zijn beschermd. Ook voor de bouw van het Koloniënpaleis in Tervuren, waar de koloniale afdeling van de wereldtentoonstelling 1897 werd georganiseerd, liet de architect Philippe Aldorphe zich inspireren door het Klein Trianon. Het Koloniënpaleis bood onderdak aan het eerste permanente Congomuseum (1898-1909). Vandaag de dag bevinden er zich wetenschappelijke diensten van het Koninklijk Museum voor Midden-Afrika.