Большой дворец является центром Петергофского ансамбля. Общая идея местоположения и первоначального облика дворца (в то время — «Верхних» или «Нагорных» палат) принадлежала Петру I.
Дворец петровского времени представлял собой скромное двухэтажное здание с трехэтажным центральным ризалитом. С двух сторон от дворца вдоль террасы шли галереи, замыкавшиеся небольшими павильонами.
В царствование Елизаветы Петровны дворец был расширен и перестроен по проекту Ф. Б. Растрелли. Петровский дворец был включен в состав нового здания.
Архитектурная обработка средней части дворца очень сдержана, во многом следует традициям петровского времени. Фасад расчленен пилястрами, охватывающими второй и третий этажи, окна обрамлены фигурными наличниками, ризалиты акцентированы лучковыми фронтонами. Центральная ось здания подчеркнута треугольным фронтоном и высокой фигурной кровлей, увенчанной позолоченной вазой. Более пышно обработаны боковые флигели: их купола вызолочены, грани куполов и окна обрамлены золочеными гирляндами и картушами.
Большой каскад служит основанием для центральной части дворца. Он включает Грот в центре, два ступенчатых каскада по сторонам, ковш с фонтаном «Самсон, раздирающий пасть льва» и широкий канал, ведущий к Финскому заливу. Созданный еще в петровское время, каскад перестраивался в середине XVIII-го и в XIX веке.
Из залов петровского времени в Большом дворце Растрелли сохранил только кабинет Петра I с резными дубовыми панелями. Среди интерьеров, созданных Растрелли следует выделить Парадную лестницу и Танцевальный или Купеческий зал. В 1760-х—1770-х годах, уже в царствование Екатерины II, была выполнена отделка Портретного зала (по проекту Ж.-Б. Валлен-Деламота), Чесменского и Тронного залов (по проекту Ю. Фельтена). Переделки производились и в более позднее время.
Дворец сильно пострадал во время Великой Отечественной войны, его интерьеры были полностью уничтожены, скульптуры Большого каскада похищены. Восстановление дворца продолжается до сих пор.