桃園神社於1935年開始建造，由春田直信所設計，於1938年6月10日落成，並在當年9月23日舉行鎮座祭，除了奉祀和台灣神社相同的造化三神、能久親王外，加祀掌管五穀豐收的豐受大御神以及明治天皇，並於大戰末期升格為縣社。光復後於1946（民國35）年6月17日改設為「新竹縣忠烈祠」（當時桃園，還未設縣治），1985（民國74）年時曾一度決定要拆除重建忠烈祠，後經輿論及學界的反對及大聲疾呼，次年桃園縣政府改變初衷並修繕完成。民國八十三年（1994年），桃園神社正式被列為國家第三級古蹟，獲得國家給予永久的保護。
桃園神社經過修復，恢復日據時代的舊觀，目前建築群有本殿、拜殿、社務所、手水舍、鳥居及石獻燈。
昔日的三座鳥居，如今只剩一座。這一座鳥居與一般日本神社的鳥居略有不同。鳥居有二根橫樑，上樑已被拆除，外形像是「雙十」，而不是傳統的日式鳥居。 中間道路稱為參拜道，在參拜道上要靠邊行走，代表一種敬畏心，因為神明走中間路線，靠邊行走才不會撞到神明。參道的左右兩旁，放置三座石燈籠，指引著民眾前進的方向，
這石燈籠有點綻放光明的意思，象徵走在光明的道路上，心地光明磊落並照亮前程。
左為手水舍，是供參拜者，進入神社祭祀前在此先洗手、漱口，象徵洗淨身心後才可至神前敬拜的場所，又稱「水盤舍」。
右為社務所，主要功能是神職人員或管理人員，執行神職庶務及值夜的辦公場所，目前為管理員室，可提供導覽及解說服務。
銅馬雕塑為日治時代遺物，全體皆以青銅製造，腹部兩側鑄有日本皇室(菊花)徽章，飾紋細緻，惟已遭磨損破壞。
第三層石階旁有一對石獅，日本人稱之為「高麗犬」，又稱「貊白犬」或「唐獅子」。石獅原本有兩對，台灣光復後，皆遭拆除。目前這一對是民國七十五年進行修繕工程時，依舊照片彷製的。
拜殿是一般朝拜者列隊主要祭拜的殿室，與台灣傳統寺廟建築之正殿相似，但空間機能卻不同。正中央設有四扇大門，兩側各設窗戶一樘，背面中央與前面開設同式四扇門，祭典時由拜殿可直視神殿，彼此間設有通廊相接。左、右各附一朵殿，為神樂殿及祭器庫（現作為眾烈士牌位供奉室），總計五開間，建物主體以圓木柱及蔀（木格狀板牆，用以遮蔽光線之物 ）建造，前後八扇門皆各由一完整木料（板唐戶）製成，極為珍貴。
本殿基壇為混凝土結構，表面洗石子，前方並設有廊道與拜殿相接。台座是利用眾多的木柱將其立於台基上。屬「干欄式」構造，利於 通風，且有助於防止白蟻的侵蝕。台上採用日式木造神社的原始作法，四周設有迴廊、欄杆。主殿的屋頂亦為「切妻造」，包覆銅皮瓦，面開三間，以檜木製造。登上主殿的木梯，梯面極淺，級深僅及半履，踏踩時，後腳跟會懸空，被稱為「半步梯」。目的是使祭祀者必須踮著腳尖上下，並低頭注視步履，以防摔倒，因而產生敬畏、謙卑的心情。
東司，即「廁所」。(古建築廁者常設於屋之東邊，司即司庫，「司」類似現在的「所」)。
桃園神社是目前日本之外保存最好的神社，不管假日或平日，遊客並不多，感覺非常清幽。雖然神社的建立有其時代背景，然而改為忠烈祠祭祀抗日英雄又讓人覺得非常不適當。但如果仍以欣賞神社的建築的工法及體驗當時人的生活則這裡就是非常不錯的地方。
逛完神社之後，往上走為桃園環保公園，也是一個踏青及賞夜景的好地方。
