Het huis verrees op de plaats van het rentmeestershuis van het Oranjewoud-paleis. In 1821 liet de doopsgezinde Leeuwarder koopman Pieter Cats hier een buitenplaats bouwen.

Oranjestein heeft twee bouwlagen op een kelder. De voorgevel is zeven vensters breed met een attiek op het uitspringend middengedeelte, waarin zich de ingang met bordes bevindt. De gevelindeling toont grote overeenkomst met die van Lyndenstein te Beetsterzwaag.

Later vererfde het buiten aan de familie Bieruma Oosting. Jan Bieruma Oosting, burgemeester van Leeuwarden, liet het gebouw in 1855 aan de achterzijde vergroten door architect H.R. Stoett. Ook liet hij enkele dienstwoningen en een oranjerie (1876) bouwen. De laatste verbouwing vond in opdracht van zijn zoon Johannes in 1897 plaats, toen de achtervleugel door H.H. Kramer werd aangebouwd. De architect heeft de huidige serre met balkon toen geplaatst.

De tuin werd door de bekende tuinarchitect L.Ps. Roodbaard in landschapsstijl aangelegd. Het authentieke gebouw met een gaaf interieur, omgeven door een landschapspark, maakt Oranjestein heel bijzonder. Het park is beperkt te bezichtigen. Gedurende de openingstijden (grofweg: 's zomers op zondagmiddag) is de Oranjerie geopend voor koffie/thee e.d. De Oranjerie kan ook worden gehuurd voor ontvangsten e.d.

Aan de voorkant van het huis staan een plataan en een rode beuk die voorkomen in het Landelijk Register van Monumentale Bomen. Ook in het park is een mooie beuk uit dit register te vinden.