В історії та архітектурі палацу знайшли своє відображення як архітектурні віяння кожної з епох, що пережив палац, так й особисті пристрасті російських правителів того часу. Сам палац було закладено за проектом німецького архітектора Йоганна Фрідріха Браунштейна як літня резиденція московської цариці Катерини I. У серпні 1724 року на знак завершення будівництва, в палаці влаштували свято, під час якого «палили з 13 гармат тричі». На урочистостях був присутній імператор Петро І. За першим проектом палац був типовим для московської архітектури початку XVIII сторіччя, — невелика двоповерхова споруда в голландському стилі, — «на 16 світлиць». В 1743 році нова імператриця Єлизавета Петрівна доручила російським архітекторам Михайлу Земцову й Андрію Васильовичу Квасову розширити і упорядкувати палац. Саме за імператриці Єлизавети Петрівни палац придбав свій нинішній вигляд й стиль. У травні 1752 року вона доручила архітекторові Бартоломео Франческо Растреллі знову переоблаштувати палац, оскільки вважала його надто старомодним й малим. Після демонтажу, грандіозної перебудови й будівельних робіт, що тривали чотири роки з'явився сучасний палац, виконаний у стилі російське бароко. Понад 100 кілограмів золота пішло на позолоту витонченої обробки нового фасаду і численних статуй на покрівлі. Перед величним фасадом було розбито не менше величний «правильний» парк. 30 липня 1756 року відбулася презентація 325-метрового палацу враженим російським вельможам та іноземним гостям.

Традиційно палац також пов'язують з ім'ям Катерини Великої, хоча сама імператриця вважала цей «збитий крем» старомодним. Згідно з волею покійної імператриці Єлизавети, насамперед Катерина розпорядилася позолотити статуї в парку. Коли частина з них вже обробили, дізнавшись про вартість цих робіт, Катерина веліла їх призупинити. У своїх мемуарах вона посварила попередницю за марнотратство. Під все своє царювання вона розбудовувала палац і парк на свій смак, роблячи їх більш зручними для життя і скромнішими.

Растреллі перебудував Великий (Катерининський) палац (1752—1756) в Царському Селі: продовжив вісь будівлі, що стала головною просторової координатою в його плані; велика протяжність двох паралельних анфілад парадних приміщень, масштаб яких наростає до центру — Великому залі й Картинній галереї, підкреслена винесенням парадних сходів в південно-західну частину будівлі. Ритмічна різноманітність ордерної системи фасаду, великі виступи колонад з розкріповками антаблемента над ними, глибокі западини вікон, створюють багату гру світлотінів, велика кількість ліпнини й декоративної скульптури, багатобарвність фасадів (блакитний й золотистий кольори) надають будівлі емоційний, насичений, святковий й дуже урочистий вигляд.[1]

Зі спогадів графа С. Д. Шереметьєва: "У перший раз бачив я Великий Царськосільський палац в усій красі балу. (1863 рік) Танцювали у великому залі, а в прохідній галереї накрита була вечеря на незліченну кількість гостей. Сяяли дерев'яні колони з позолотою, перевиті гірляндами в смаку минулого сторіччя, горіли вогнями. Тоді ще ніхто не думав про електричне освітлення, й горіли незліченні свічки, як бувало за часів Катерини. Дивовижне було видовище, яке не можна забути… Я був тоді молодим офіцером й танцював мазурку з принцесою Катериною Петрівною Ольденбурзькою. "

В період німецької окупації ансамбль сильно постраждав, палаци розграбовані, багато експонатів згоріли. Тепер ансамбль повністю відновлено реставраторами — М. В. Барановим, О. О. Кедринським, Н. М. Тумановой, І. П. Саутовим та іншими.

23 травня 2010 року генеральний директор Державного музею-заповідника «Царське Село» Ольга Таратинова повідомила журналістам про те, що до святкування 300-річного ювілею Царського Села відкриються кілька відреставрованих залів й павільйонів: "Відкриємо повторно відреставрований Тронний зал в Катерининському палаці. Відкриємо й абсолютно незнайомий для наших гостей зал з тієї половини палацу, у якій жила Катерина — арабеськовий зал. Зараз в ньому вже ведуться роботи по меблі й підбору штор[2].