Βρίσκεται κτισμένο στην ομώνυμη κορφή του δυτικού τμήματος της οροσειράς του Πενταδάκτυλου, ύψους 725 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Κατά την περίοδο της Φραγκοκρατίας ήταν γνωστό και με την ονομασία Δίδυμος, εξαιτίας των δυο απότομων βράχων που το πλαισιώνουν, που οι Φράγκοι παράφρασαν σε Dieu d' Amour (Dio d' Amore στην ιταλική), Φρούριο του Θεού του Έρωτος. Ήταν επίσης γνωστό και ως Κάστρο της Ρήγαινας και Εκατόν Ένα Σπίθκια (της Ρήγαινας), το ίδιο όπως και τα δυο άλλα φρούρια της οροσειράς, εκείνα του Βουφαβέντο και της Καντάρας. Η Ρήγαινα, πρωταγωνιστικό πρόσωπο στις κυπριακές παραδόσεις και στους θρύλους, έχει πολλά κάστρα σε διάφορα μέρη της Κύπρου, χωριά, αυλές, παλάτια και πλήθος τοπωνυμίων.
Την ονομασία κάστρο του Αγίου Ιλαρίωνος την πήρε, όπως και η ομώνυμη κορφή στην οποία είναι κτισμένο, από το γεγονός ότι στην κορφή εκείνη είχε ασκητεύσει πριν κτιστεί το φρούριο, ο άγιος Ιλαρίων ο Νέος, ένας από τους 300 Αλαμάνους αγίους στην Κύπρο. Η στρατηγική τοποθεσία στην οποία έζησε ο ασκητής αυτός, ενισχύει την άποψη ότι η ίδρυση μοναστηριών ή εκκλησιών ή και η δημιουργία ασκητηρίων κατά τη Βυζαντινή περίοδο εξυπηρετούσε και κάποιους στρατηγικούς σκοπούς. Οι Αλαμάνοι άγιοι, εξάλλου, θεωρούνται ως στρατιωτικοί άγιοι. Κατ’ άλλες πηγές όμως (συγκεκριμένα κατά τον άγιο Ιερώνυμο που έγραψε τον Βίο του αγίου Ιλαρίωνος του Μεγάλου), αλλά και σύμφωνα προς άλλες παραδόσεις, στην κορφή εκείνη είχε ασκητεύσει ο άγιος Ιλαρίων ο Μέγας (βλέπε λήμμα Ιλαρίων άγιος).
Περιγραφή: Το κάστρο κτίστηκε από τους Βυζαντινούς στα τέλη του 11ου αιώνα, την ίδια εποχή κατά την οποία κτίστηκαν κι εκείνα του Βουφαβέντο και της Καντάρας. Και τα τρία μαζί ενίσχυαν την άμυνα των βορείων ακτών της Κύπρου κατά των θαλασσινών επιδρομών και εξυπηρετούσαν και ευρύτερες στρατιωτικές ανάγκες. Η ακριβής χρονολογία ανέγερσης του κάστρου δεν είναι εξακριβωμένη και από το αρχικό οικοδόμημα σώζονται μόνο η εκκλησία του Αγίου Ιλαρίωνος (για την οποία βλέπε χωριστό λήμμα) και υπολείμματα τοίχων.
Κτισμένο στην σχεδόν κάθετη κορφή του βουνού, το κάστρο είναι εντελώς απρόσιτο από τα βόρεια, βορειοανατολικά και νοτιοανατολικά και αποτελείται από τρεις αμυντικές ενότητες που βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα.
Η πρώτη ενότητα, στο χαμηλότερο σημείο των οχυρώσεων, είναι και η μεγαλύτερη σε μήκος. Το τείχος, που εκτείνεται στις τρεις πλευρές της κορφής κι είναι κτίσμα των Βυζαντινών, έχει μήκος ενός τετάρτου του μιλίου περίπου. Η τέταρτη πλευρά στα βόρεια, ορίζεται από το απότομο πρανές της δεύτερης ενότητας των οχυρώσεων.
Το τείχος φέρει κατά διαστήματα 7 ημικυκλικούς πύργους. Είναι κτισμένο από πέτρες της περιοχής με συνδετικό υλικό τον ασβέστη. Δυο άλλοι πύργοι βρίσκονται σε επιπρόσθετο τμήμα του τείχους που περιβάλλει και προστατεύει την κύρια είσοδο του κάστρου, στα νότια. Στο τμήμα αυτό οδηγεί η εξωτερική πύλη με το κτίριο της εισόδου. Πάνω από την κύρια είσοδο σώζονται ακόμη τέσσερις κονσόλες, κατάλοιπα αμυντικών κατασκευών που βρίσκονταν στο σημείο αυτό, με διαφορετικό γλυπτό διάκοσμο η κάθε μια.
Στην πρώτη αυτή ενότητα/ ζώνη σώζονται υπολείμματα πολυάριθμων οικοδομών, χωρίς ιδιάζοντα αρχιτεκτονικά στοιχεία, που χρησίμευαν κυρίως ως χώροι διαμονής στρατιωτών και ζώων. Από τις οικοδομές αυτές ξεχωρίζει, στα δυτικά, η φράγκικης προέλευσης οικοδομή που χρησίμευε σαν στάβλος, με ψηλή αψιδωτή είσοδο, καλυμμένη με οξυκόρυφη καμάρα.
Στην δεύτερη, πιο ψηλά τοποθετημένη ενότητα, που συγκεντρώνει τα σημαντικότερα κτίρια του κάστρου και αποτελεί ένα πολύ πιο προσεγμένο αμυντικό σύνολο, οδηγεί ογκώδες διώροφο κτίριο εισόδου βυζαντινής προέλευσης, στο οποίο οι Λουζινιανοί ενσωμάτωσαν θολωτό πέρασμα που αρχικά έκλεινε με κινητή γέφυρα.
Στα βορειοανατολικά, ακόμη πιο ψηλά τοποθετημένη, βρίσκεται η βυζαντινή εκκλησία του Αγίου Ιλαρίωνος, την οποία οι Φράγκοι διατήρησαν και χρησιμοποίησαν, στηρίζοντάς την με οξυκόρυφα τόξα.
Στα βόρεια και βορειοανατολικά της εκκλησίας σώζεται σύμπλεγμα από αξιόλογες οικοδομές: μια μεγάλη αίθουσα του 14ου αιώνα η οποία είχε αρχικά οξυκόρυφη ξύλινη στέγη που δεν σώθηκε, με υπόγειες αποθήκες επικοινωνεί με αποθήκη και με την κουζίνα στα ανατολικά με θολωτή οροφή. Κάτω από την αποθήκη υπάρχει δεξαμενή νερού. Ξεχωριστής μορφής είναι το belvedere στα νοτιοανατολικά της μεγάλης αίθουσας, με θολωτή οροφή που ανοίγει με δυο οξυκόρυφα τόξα προς τα νότια και ανατολικά.
Άλλη σημαντική οικοδομή σ' αυτή την ενότητα είναι το τετραώροφο κτίριο στο ανατολικό άκρο, με ξύλινη, οξυκόρυφη στέγη — ασυνήθιστο στοιχείο για την αρχιτεκτονική της εποχής της Φραγκοκρατίας. Πιθανόν το κτίριο αυτό ν' αποτελούσε τα βασιλικά διαμερίσματα πριν κτιστούν τα αντίστοιχα στην τρίτη ενότητα. Στα δυτικά του κτιρίου αυτού σώζονται τρεις ισόγειες θολωτές αίθουσες στη σειρά, που χρονολογούνται στον 14ο αιώνα.
Στην τρίτη και ψηλότερη ενότητα οδηγεί απότομο μονοπάτι και αψιδωτή είσοδος που προστατεύεται από ημικυκλικό πύργο στα βόρεια. Αποτελείται δε από δυο συμπλέγματα: χαμηλότερα τοποθετημένα διαμερίσματα και βοηθητικοί χώροι και κτισμένες στην κορυφή αμυντικές κατασκευές.
Τα βασιλικά διαμερίσματα βρίσκονται πάνω από τον κρημνό, στο δυτικό τμήμα της αυλής. Αποτελούνται από διώροφο μακρόστενο κτίριο του 14ου αιώνα. Στο ισόγειο υπάρχει μεγάλη, θολωτή αίθουσα χωρισμένη σε μικρότερους χώρους ενώ στο υπόλοιπο υπάρχει έξοδος κινδύνου και δεξαμενή. Στον όροφο οδηγεί πλατιά σκάλα στα βορειοανατολικά. Τη μεγάλη αίθουσα κάλυπτε οξυκόρυφη ξύλινη στέγη που δε σώθηκε. Κατά μήκος της ανατολικής πλευράς του κτιρίου υπήρχε αρχικά στοά που ένωνε εξωτερικά τους χώρους του ορόφου. Από τα αρχιτεκτονικά στοιχεία που διασώζονται φαίνεται ότι το κτίριο αυτό αποτελούσε ένα πολύ αξιόλογο δείγμα γοτθικής αρχιτεκτονικής. Χαρακτηριστικό είναι το μεγάλο γοτθικό παράθυρο στον δυτικό τοίχο, με καθίσματα στις δυο πλευρές. Στα ανατολικά των βασιλικών διαμερισμάτων σώζονται διάφοροι βοηθητικοί χώροι.
Τέλος, στο ψηλότερο σημείο, σε ύψωμα στα νότια της αυλής της τρίτης ενότητας, βρίσκεται τείχος πλαισιωμένο από δυο τετράγωνους πύργους, στο οποίο οδηγούσαν μονοπάτι και σκαλοπάτια χαραγμένα στο βράχο. Δεξαμενές σε διάφορα σημεία εξυπηρετούσαν κάποτε τις ανάγκες του κάστρου σε νερό.