По распоряжению Юсуповых архитектор А.А. Михайлов-второй осуществил реконструкцию дворца, во многом сохранив габариты старого здания с центральным шестиколонным портиком тосканского ордера. Одновременно были надстроены до третьего этажа боковые крылья. В результате фасад здания приобрел монументальный классический облик, дошедший до наших дней. Рядом архитектор возвел новый трехэтажный корпус с большим Белоконным залом. Этот корпус сомкнулся с основным зданием. В результате образовалась анфилада из шести больших парадных залов, оформленная в декоративной манере русского ампира. В 1832–1834 гг. Михайлов пристроил к дворцу еще один корпус, где находились пять залов для размещения семейного собрания художественных произведений и домашний театр.
В создании интерьеров Юсуповского дворца принимали участие многие русские и зарубежные мастера: А. Травин, П. и Т. Дылевы, М. Кропотов, А. Галанин, К. Кузнецов, А. Виги, Б. Медичи, Ф. Торичелли, В. Мадерни, А. Трискорни, Я. Фратини и другие. Залы парадной анфилады бельэтажа и сегодня поражают воображение узорчатыми шелками, изысканной лепкой, благородными мраморами. Продолжают анфиладу Синяя и Красная гостиные, каждая из которых имеет неповторимое своеобразие. Благородством и элегантностью отличается убранство Танцевального зала. Но самым ослепительным стал Белоколонный зал, чей потолок покрыт изящной живописью, а стены охватывает колоннада коринфского ордера.
В 1840-е гг. швейцарский архитектор Б. Симон создал во в дворце зимний сад (не сохранился) и Гобеленовую гостиную, чьи стены были покрыты уникальными гобеленами, изготовленные в XVII — начале XVIII вв.
Новая серьезная перестройка дворца произошла в 1860 гг., когда им владел князь Н.Б. Юсупов-младший. По проекту архитектора И.А. Монигетти был заново оформлен нижний вестибюль, создана мраморная лестница из каррарского мрамора, стены вестибюля покрыл пышный лепной декор. Монтигетти создал и экзотическую Восточную гостиную, стены который были расписаны арабесковой вязью по золоченому фону, восьмигранная чаша бассейна украшена резным восточным орнаментом, а камин был отделан ониксом. Заново были отделаны несколько комнат на половине князя Юсупова, получивших название Зал Генриха II, Турецкий кабинет, Буфетная, Музыкальная, Кариатическая. На половине княгини появился Помпейский коридор, Персидская комната, вновь отделаны будуар и гостиная. Во дворце появились резные камины из мрамора, оникса и малахита, гарнитуры роскошной мебели. Значительной переделке был подвергнут интерьер театра.
В 1890-е гг. велась очередная реставрация дворца, охватившая весь комплекс помещений, велась под руководством архитектора А.А. Степанова. Тогда на месте зимнего сада была устроена Дубовая столовая, отделанная резными панелями из резного дуба, вновь дополнен и изменен интерьер домашнего театра, причем архитекторы использовал значительные элементы стиля рококо.
В 1911–1916 гг., когда владельцем дворца стал князь Ф.Ф. Юсупов граф Сумароков-Эльстон и его супруга Ирина Александровна, произошла последняя значительная переделка внутренних дворцовых помещений. Архитекторы А.П. Вайтенс и А.Я. Белобородов в стиле неоклассицизма оформили личные покои молодых хозяев. Художники В. Конашевич, Н. Тырса и С. Чехонин работали над декоративном оформлением комнат, в частности, Серебряного будуара княгини, но события 1917 г. прервала их труды.
Именно в этом дворце в декабре 1916 г. произошло трагическое событие — убийство Г. Распутина, в организации которого принимал участие князь Ф.Ф. Юсупов.
После революции 1917 г. Юсуповский дворец перешел в государственную собственность. В годы Великой Отечественной войны в результате прямых попаданий снарядов и бомб были повреждены фасад и фундамент дворца, многие залы и комнаты, а некоторые из них погибли в пожарах. Но в 1946–1955 гг. было восстановлено и открыто для посещений большинство залов. Уникальной операцией стало извлечение неразорвавшегося снаряда из стены дворцового театра. Восстановительные работы проводились и позднее, продолжаются они и сегодня. Ныне здесь находится Дворец культуры работников просвещения, проводятся экскурсии, в дворцовом театре проходят концерты.
Дворцовое строительство, расцветавшее в Санкт-Петербурге на протяжении более чем ста семидесяти лет, прекратилось в конце XIX в. В столичной архитектуре тогда наступила эпоха модерна. Представители царского семейства, аристократии, делового мира начали строить для себя особняки, изящные здания которых оказались разбросаны по всему городу.
На Петроградской стороне особенно выделяются особняки Кшесинской и Витте. Особняк для знаменитой балерины Мариинского театра Матильды Кшесинской возводил в 1904–1906 гг. один из самых ярких представителей петербургского модерна А.И. Гоген. Здание отличается живописной ассиметричностью наружной композиции, неожиданным сочетанием новых и традиционных отделочный материалов. Изящная высокая беседка установлена на углу ограды. Весной 1917 г. в особняк Кшесинской разместился Центральный Комитет большевиков. Рядом с особняком Кшесинской в 1910 г. архитектор Р. Мельцер построил особняк Брандта, в котором находились утонченные деревянные интерьеры, а особенно уютно и празднично выглядит деревянная лестница, ведущая на второй этаж. Ныне в объединенных специальном переходе особняках Кшесинской и Брандта находится Музей политической истории.
Неподалеку, в начале Каменноостровского проспекта расположился особняк С.Ю. Витте, председателя кабинета министров Российской империи, одного из самых ярких деятелей отечественной истории. Двухэтажное здание особняка строилось в 1898 г. по проекту архитектора Э.Ф. Вирриха. Примечательной деталью особняка был лифт, ходивший с первого этажа на второй.
Ряд интересных загородных особняков был построен в начале XX в. на Каменном острове. К примеру, деревянный «Дом-сказка», возведенный в 1904 г. архитектором Р. Мельцером для самого себя — деревянный сруб, украшенный острыми двускатными объемами, нависающими друг над другом. А для Э.Г. Фолленвейдера в том же 1904 г. Р. Мельцер выстроил дом, как романтическую композицию с высокой черепичной крышей, увенчанной четырехгранной башней. Этот особняк прозвали «Теремок». Но ослепительно белые оштукатуренные стены дали повод к тому, что дом начали называть «Сахарной головой». Еще один удивительный дом, прозванный местными жителями «Золотой рыбкой», построил для себя в 1910 г. архитектор Ф.Ф. Постельс. Столь сказочное прозвище у дома появилось потому, что стены дома были облицованы живописными тонкими дощечками, напоминающими рыбную чешую.