Двадцатиколонный зал принадлежит к наиболее удачным композиционным решениям Л. Кленце. Зал создавался специально для выставки античных расписных ваз. Естественно, что Л. Кленце, знаток античного искусства, использовал здесь ряд архитектурных приемов, заимствованных из греческой архитектуры.
Два ряда великолепно отполированных монолитных колонн из сердобольского гранита отделяют центральный неф зала от боковых. Колонны стоят на беломраморных базах и завершаются ионийскими капителями из искусственного мрамора.
Увлечение конструктивными приемами древнегреческих строителей привело Кленце к мысли создать перекрытие в подражание античным. Вдоль обоих рядов колонн на капители положены балки, на них лежат другие балки, поперечные концы которых покоятся на поставленных вдоль стен рядах прямоугольных пилонов. Пилоны облицованы искусственным мрамором, воспроизводящим фактуру гранита. Прямоугольные плоские части потолка между балками разбиты на квадратные кессоны. Капители колонн и все части перекрытия покрыты яркой росписью с преобладанием красного, синего и желтого цветов, с использованием пальметок, розеток, ов и других античных декоративных мотивов. Роспись выполнял живописец Ф. Вундерлих. Пол, в соответствии с античной традицией, покрыт мелкой каменной мозаикой, исполненной на Петергофской гранильной фабрике из цветного мрамора в 1851 году.
Стены расписаны по голубому грунту, орнамент здесь аналогичен орнаменту перекрытия. В верхней части стен расположены двенадцать композиций, представляющих вазовые росписи как бы развернутыми на плоскости. Сюжеты выбраны из греческой мифологии, изображения античных сосудов напоминают о назначении зала. На одной из этих стенных картин изображена держащая в руках чашу и лекиф Геба, которая предлагает нектар и амврозию восседающим на Олимпе Зевсу, Гере и Афине; на другой трактуется миф о Триптолеме, научившем людей земледелию; Триптолем также держит чашу, напутствующая его Деметра изображена с лекифом и т. д. Все эти композиции исполнены академиком М. Н. Шамшиным. В скульптурной отделке зала принимал участие скульптор И. Герман, а для капителей модель сделана одним из членов большой семьи лепщиков Т. Дылевым.
Двадцатиколонный зал представляет собою единственный сохранившийся в первоначальном виде образец музейного интерьера середины XIX века.
Роспись стен рассчитана на размещение под нею специально спроектированных для этого зала шкафов, которые органически сочетаются с декоративной композицией зала. Шкафы и витрины из волнистой березы со вставками амаранта, так же как и большинство мебели музея, были исполнены по рисункам Кленце придворным мебельщиком А. Туром.
В этих отлично выполненных шкафах и в настоящее время экспонируются расписные античные вазы.