Еще в 1752 году Ф. Б. Растрелли составил несколько проектов перестройки существовавшего Зимнего дворца времен Анны Иоанновны. Эти проекты наглядно показали, что возможности расширения прежнего здания полностью исчерпаны. В 1754 году было принято решение строить новый дворец на прежнем месте.
Размерами и великолепием архитектурной отделки он должен был превзойти все предшествовавшие императорские дворцы в Санкт-Петербурге, стать символом богатства и мощи русского государства. Императрица Елизавета Петровна особо отмечала, обращаясь в Сенат: «Строение того каменного Зимнего дворца строитца для одной славы всероссийской империи и по обстоятельству-де оному следует Правительствующему Сенату во всех случаях неотменно стараться, чтоб оное безостановочно приведено было к окончанию».
Новый Зимний дворец был задуман в виде замкнутого четырехугольника с обширным парадным двором. Северный фасад дворца был обращен к Неве, западный — в сторону Адмиралтейства. Перед южным фасадом Ф. Б. Растрелли запроектировал большую площадь, в центре которой предлагал установить конную статую Петра I, изваянную отцом архитектора Бартоломео Карло Растрелли. Полукруглая площадь планировалась и перед восточным фасадом Зимнего дворца, со стороны современного Малого Эрмитажа. Эти планы не были осуществлены.
Строительство грандиозного здания продолжались 12 лет. На этот период императорский двор перебрался во временный деревянный Зимний дворец, построенный на Невском проспекте. В теплое время года столичной императорской резиденцией служил Летний дворец.
Накануне Пасхи 1762 года состоялось торжественное освящение домовой церкви Зимнего дворца, ознаменовавшее окончание строительства, хотя многие помещения еще оставались неотделанными. Елизавете Петровне не довелось жить в новом дворце — она скончалась в декабре 1761 года. Во дворец переехал император Петр III.
В царствование Екатерины II часть интерьеров Зимнего дворца была оформлена в соответствии с новыми художественными вкусами. Изменения и дополнения вносились в 1-й трети XIX века. Разрушительный пожар 1837 года уничтожил дотла великолепную внутреннюю отделку. Ее восстановлением в 1838—1839 годах занимались архитекторы В. П. Стасов и А. П. Брюллов.

Зимний дворец является одним из наиболее выдающихся произведений русского барокко. Трехэтажное здание расчленено антаблементом на два яруса. Фасады декорированы колоннами ионического и композитного ордера. Сложный ритм колонн, богатство и разнообразие форм наличников, обильная лепнина, множество декоративных ваз и статуй на парапетах создают необычайное по пышности и великолепию убранство дворца. Яркая контрастная окраска стен и архитектурных украшений усиливает общее живописное впечатление. Ее первоначальна гамма была несколько иной по сравнению с современной — дворец был «снаружи раскрашен: стены песчаною краскою с самою тонкою прожелтью, а орнаменты белою известью».
Южный фасад дворца прорезан тремя въездными арками, ведущими в парадный двор. В центре северного корпуса находился центральный вход. Через протяженный вестибюль можно было пройти на парадную Иорданскую лестницу, занимавшую целый ризалит в северо-восточном углу здания. Во втором этаже вдоль невского фасада от лестницы проходила торжественная анфилада, замыкавшаяся грандиозным Тронным залом. Ни один из ныне существующих залов Зимнего дворца не может сравниться с ним размерами: Ф. Б. Растрелли, сохранив ширину Тронного зала времен Анны Иоанновны (28 метров), довел его длину до 49 метров.
Вдоль восточного фасада от Иорданской лестницы шла вторая анфилада, заканчивавшаяся дворцовой церковью. За церковью, в юго-восточном ризалите планировались личные апартаменты Елизаветы Петровны.
Все интерьеры Растрелли погибли во время пожара 1837 года. Специальным распоряжением Николая I в первоначальном виде были восстановлены Иорданская лестница и дворцовая церковь. Последняя вновь пострадала уже в советское время — в 1938 году был разобран пышный резной иконостас. Интерьер церкви восстановлен в 2014 году.
Ныне здание Зимнего дворца принадлежит Государственному Эрмитажу, здесь располагаются экспозиции музея.