A residência teve origem em 1717, quando Catarina I encarregou o arquiteto Johann-Friedrich Braunstein de construir um palácio de Verão para seu prazer. Em 1743, a Imperatriz Ana contratou Mikhail Zemtsov e Andrei Kvasov para expandir o Palácio de Catarina. A Imperatriz Isabel, no entanto, achou a residência da sua mãe fora de moda e incómoda, pelo que em Maio de 1756 pediu ao seu arquiteto da Corte, Bartolomeo Rastrelli, que demolisse a velha estrutura e a substituísse por um edifício muito maior no estilo Rococó flamejante. A construção estendeu-se por quatro anos e no dia 30 de Julho de 1756, o arquiteto apresentou o inteiramente novo palácio de 325 de comprimento à Imperatriz, aos seus deslumbrados cortesãos e aos estupefactos embaixadores estrangeiros.

 Fachada Sul do Palácio de Catarina - vista a partir do jardim.

Durante a vida de Isabel, o palácio teve fama pelo seu opulento exterior. Foram usados mais de 100 kilogramas de ouro para dourar a sofisticada fachada de estuque e numerosas estátuas erguidas no telhado. Existiram mesmo rumores de o telhado do palácio era inteiramente construído em ouro. Em frente do palácio foi realizado um grande jardim formal. Este era centrado no Pavilhão do Eremitério próximo do lago, desenhado por Zemtsov em 1744, revisto por Rastrelli em 1749 e antigamente coroado por uma escultura dourada representando A Violação de Perséfone. O interior do pavilhão apresenta mesas de jantar com mecanismos giratórios. A grande entrada do palácio é flanqueada por duas circunferências massivas, igualmente em estilo Rococó. Uma delicada grade em ferro fundido separa o complexo, da cidade de Tsarskoye Selo.

Apesar de o palácio estar popularmente associado a Catarina, a Grande, ela, na verdade, olhava a sua arquitetura de "creme batido" como fora de moda. Quando subiu ao trono, um grande número de estátuas no parque estavam cobertas de ouro, de acordo com as últimas vontades da Imperatriz Isabel. Contudo, a nova monarca mandou suspender todos os trabalhos depois de ser informada dos custos. Nas suas memórias, Catarina censura a incauta extravagância da sua predecessora: "O palácio estava então a ser construído, mas foi o trabalho de Penélope: o que foi feito hoje, foi destruído amanhã. Esta casa foi deitada abaixo seis vezes até às fundações e depois construída de novo, antes de chegar ao estado atual. Foi gasta uma soma de um milhão e seiscentos mil rublos na construção. Existem contas para provar isto; mas além desta soma, a Imperatriz gastou muito dinheiro do seu próprio bolso que nunca foi contabilizado".

 A Galeria Cameron representada numa gravura oitocentista.

Em ordem a satisfazer a sua paixão pela arte antiga e Neoclássica, Catarina empregou o arquiteto escocês Charles Cameron que, além de remobilar o interior de uma ala ao estilo Neo-Palladiano então em voga, também construiu os aposentos pessoais de Imperatriz, uma estrutura nada modesta em estilo Greco-Revivalista, conhecida como Salas Ágata, situada à esquerda do grande palácio. Notável pela sua elaborada decoração em jaspe, as salas foram desenhadas para se ligarem com os Jardins Suspensos, os Banhos Quentes e a Galeria Cameron (a qual ainda acolhe uma coleção de estatuária em bronze) - três edifícios neoclássicos construídos de segundo os desenhos de Cameron. De acordo com os desejos de Catarina, foram erguidas muitas estruturas notáveis, para seu divertimento, no Parque de Catarina. Entre estas incluem-se o Almirantado Holandês, o Pagode Ranjente, a Coluna Chesme, o Obelisco Rumyantsev e a Ponte de Mármore.

 Fachada Sul do Palácio de Catarina - vista a partir do Pavilhão do Eremitério.

Depois da morte de Catarina, em 1796, o palácio foi abandonado a favor do Palácio de Pavlovsk. Monarcas subsequentes preferiram residir no vizinho Palácio de Alexandre e, com apenas duas excepções, privaram-se de fazer novas adições ao Palácio de Catarina, olhando-o como um esplêndido monumento à abundância de Isabel e à glória de Catarina. Em 1817, Alexandre I contratou Vasily Stasov para remobilar alguns interiores da residência da sua avó, em estilo Estilo Império. Vinte anos mais tarde, foi construída a magnífica Escadaria Stasov para substituir a velha escadaria circular que conduzia à Capela Palatina. Infelizmente, a maior parte dos interiores de Stasov - especificamente os datados do reinado de Nicolau I - não foram restaurados depois das destruições da Segunda Guerra Mundial.

 A Galeria Cameron no século XXI.

Quando as forças militares germânicas recuaram depois do Cerco a Leninegrado, destruíram intencionalmente a residência,[1] deixando, apenas, a carcaça do palácio para trás. Antes da Segunda Guerra Mundial, os arquivistas russos decidiram remover uma fração dos seus conteúdos, o que se mostrou de grande importância na reconstrução do palácio. Apesar de a maior parte da reconstrução ter ficado pronta a tempo das comemorações do Tricentenário de São Petersburgo, em 2003, ainda se requer muito trabalho para devolver o palácio à sua antiga glória. Em ordem a atrair fundos, a administração do palácio tem arrendado ultimamente o Grande Hall para alguns eventos notáveis, tal como o concerto de Elton John para uma audiência de elite, em 2001, e a festa exclusiva de 2005, na qual foram realizados os desejos de Bill Clinton, Tina Turner, Whitney Houston, Naomi Campbell e Sting.

No filme animado "Anastasia", produzido em 1997 pela Twentieth Century Fox, o Palácio de Catarina é apresentado (de modo pouco preciso) como a casa da Família Imperial.