Первый каменный дворец на Сарской мызе (так называлось Царское Село в начале XVIII века) был построен по проекту И.Ф. Браунштейна как летняя загородная резиденция Екатерины I. В конце 1742— начале 1743 года начались масштабные работы по расширению и перестройке дворца для императрица Елизаветы Петровны. Работами руководили известнейшие русские зодчие: М.Г. Земцов, А.В. Квасов, С.И. Чевакинский. С 1748 года строительство дворца возглавил Ф.Б. Растрелли. Работы были завершены в 1756 году.
Дворец поражает своими размерами: длина фасада более трехсот метров. Лазоревые стены в сочетании с белыми колоннами и золочеными украшениями создают приподнятое праздничное настроение. Фасады украшены фигурами атлантов, львиными масками и другими скульптурными изображениями. В комплекс дворца с северной стороны включена придворная церковь с пятью миниатюрными главками, которым отвечал купол над парадным крыльцом в южной стороне дворца. Перед фасадом был устроен плац, огражденный флигелями и циркумференциями (полукруглыми служебными корпусами).
С большой роскошью были украшены внутренние помещения дворца. Растрелли создал Парадную анфиладу, проходившую по всей длине здания от главной лестницы до придворной церкви. На золочение всех внутренних и внешних украшений ушло около 100 килограммов золота. Подлинной жемчужиной в убранстве дворцовых залов стала знаменитая Янтарная комната, подаренная Петру I прусским королем и собранная во дворце по приказу Елизаветы Петровны в 1755 году. Среди других интерьеров елизаветинского времени выделялись роскошью Большой зал и дворцовая церковь.
Во 2-й половине XVIII—XIX веках часть залов была перестроена в иных архитектурных стилях, парадная лестница перенесена на новое место. Дворец сильно пострадал во время Великой Отечественной войны. Восстановительные и реставрационные работы во дворце продолжаются по сей день.