A principios de los años 40, John Entenza, propietario de la revista Arts & Architecture y fundador del Programa de Casos de Estudio, compró 5 acres de terreno en un acantilado boscoso que antes formaba parte de la gran finca de Will Rogers. Vendió 1,4 acres de este terreno a Charles y Ray en 1945. En 1945, Charles Eames y su colega Eero Saarinen esbozaron el diseño de su casa como una caja elevada de acero y cristal que sobresalía de la ladera y abarcaba el camino de entrada antes de sobresalir en voladizo sobre el patio delantero. La estructura debía construirse íntegramente con piezas disponibles en los catálogos de los fabricantes de acero. Sin embargo, inmediatamente después de la guerra, estas piezas eran muy escasas. Para cuando llegaron los materiales, tres años más tarde, se dedicó gran parte del tiempo previo a la construcción a ir de picnic y explorar el terreno donde se levantaría la casa. Tras un periodo de intensa colaboración entre Charles y Ray, el esquema se modificó radicalmente para que se asentara más tranquilamente en el terreno y evitara invadir la agradable pradera que daba a la casa. Aunque Eero Saarinen no tuvo ninguna contribución a la Casa Eames tal y como se construyó, sí que codiseñó la Casa Entenza (Casa de Estudio nº 9) con Charles Eames al lado para John Entenza.
El nuevo diseño de la Casa Eames presentaba un edificio de residencia y un edificio de estudio metido en la pendiente del paisaje, con un edificio de 2.4 m. de altura y 60 m. de longitud de un muro de contención de hormigón. El nivel inferior de la residencia cuenta con una sala de estar con alcoba, un vestíbulo con armarios y una escalera de caracol, una cocina y un lavadero. El nivel superior alberga dos dormitorios y da a la sala de estar de doble altura en forma de entresuelo. El segundo piso de la residencia también cuenta con dos baños, varios pasillos con armarios de aluminio y un tragaluz con cables. El edificio del estudio tiene un altillo similar, pero es mucho más corto. La planta baja del estudio cuenta con un lavadero, un baño, un cuarto oscuro para procesar las fotografías y un gran espacio abierto de doble altura. La planta superior se utilizaba principalmente como almacén, pero ocasionalmente se convertía en alojamiento para invitados. También se introdujo un patio que separaba la residencia del espacio del estudio. Este esquema revisado sólo requirió una viga adicional. La fachada de 5,1 m de altura se descompone en una composición rígidamente geométrica de paneles de colores vivos y neutros entre finas columnas y tirantes de acero, pintados «de un gris cálido». Con el tiempo, los esquemas de pintura permitieron que el gris se convirtiera en negro. La puerta de entrada está marcada con un panel dorado encima. Plantado en la década de 1880 por Abbot Kinney, se conservó una hilera de eucaliptos existente a lo largo de la pared expuesta de la casa, proporcionando algo de sombra y un contraste visual con la atrevida fachada de la casa.
En cuanto al diseño interior, la colección de los Eames incluye, entre otras cosas: una lámpara de pie de Isamu Noguchi, arte folclórico y expresionista abstracto, muñecas japonesas kokeshi, almohadas chinas lacadas, cestas de los nativos americanos, sillas Thonet y numerosos diseños de muebles Eames (algunos de los cuales nunca pasaron de la fase de prototipo). Los interiores maximalistas fueron agrupados por los Eames en cuadros idiosincrásicos y la decoración interior de la casa ha suscitado conversaciones sobre la «humanización» del modernismo por parte de los Eames.
De las veinticinco Case Study Houses construidas, la casa de los Eames se considera la más exitosa como declaración arquitectónica y como espacio vital cómodo y funcional. La elegancia descarada del diseño la convirtió en el escenario favorito para las sesiones fotográficas de moda en los años 50 y 60 para publicaciones como Vogue. Tal vez la prueba de su éxito en el cumplimiento de su programa sea el hecho de que permaneció en el centro de la vida y el trabajo de los Eames desde que se mudaron (la víspera de Navidad de 1949) hasta su muerte.
La Casa Eames es un ejemplo arquitectónico destacado con la influencia del Movimiento De Stijl fuera de Europa. Las paredes y ventanas correderas le confieren la versatilidad y la apertura características del Movimiento De Stijl.
Después de la muerte de los Eames, la casa no sufrió prácticamente ningún cambio.