В апреле 1819 года была создана "Комиссия для построения дворца великому князю Михаилу Павловичу". Торжественная закладка здания состоялась 14 июля, а строительство началось 26 июля. Михайловский дворец Росси связал с Невским проспектом новой Михайловской улицей, переходящей в Михайловскую площадь непосредственно перед дворцом. Михайловская улица открывает вид на главный корпус здания, к которому по бокам примыкают два служебных корпуса. В одном из них размещались кухни, в другом - манеж и конюшни. Со стороны Марсова поля появился сад при дворце - Михайловский. В 1823 году были закончены основные строительные работы, в 1825 году завершена отделка.
Михайловский дворец обошёлся казне в 7,6 миллионов рублей. Карлу Росси за исполненную работу был пожалован орден Святого Владимира 3-й степени, пожалован участок земли для строительства собственного дома за казённый счёт.
Освящение Михайловского дворца состоялось 30 августа 1825 года. В этот день здесь состоялся праздничный обед. А уже на следующий день, 1 сентября император Александр I уехал из Санкт-Петербурга, больше сюда уже не вернувшись. Сразу же после освящения дворца великий князь Михаил Павлович с супругой переехали сюда из Зимнего дворца.
Личные покои Михаила Павловича располагались на первом этаже. Среди его шести комнат здесь был Арсенал с коллекцией оружия и мундиров (в юго-восточном углу). На первом этаже также были квартиры придворных. На его северной стороне - запасные, гостевые комнаты. В погребном этаже находились дворцовые кухни, хозяйственные помещения.
На втором этаже находились великокняжеские Кабинет, Библиотека, Гостиная, Приёмная и Передняя. В парадные помещения вела Парадная лестница. Залы для балов и приёмов шли от вестибюля по западной стороне и заканчивались на северной стороне. Вдоль линии залов шли узкие коридоры для прислуги. На антресольный этаж вели Сервизная (в западной части дворца) и Церковная (в восточной части) лестницы. Сервизная лестница вела в кладовые. Церковная - в комнаты прислуги и в домовую церковь, освящёную во имя архангела Михаила.
В центре анфилады второго этажа со стороны сада Росси был устроен Белый зал. Его художественное оформление было настолько впечатляющим, что модель зала было решено преподнести в подарок ангийскому королю Георгу IV. Императором было указано "на приготовление модели с большой белой гостиной комнатой ... для отправления оной к королю английскому, выдать ... архитектору Росси пять тысяч рублей на задатки художникам и мастерам".
Михайловский дворец оставил у современников крайне положительные впечатления. Журнал "Отечественные записки" в 1825 году писал:
"По величию наружного вида дворец сей послужит украшением Петербурга, а по изящности вкуса внутренней отделки оного может считаться в числе лучших европейских дворцов ... это роскошь воображения, которую искусство умело, так сказать, разлить на все части всего здания. Там залы, которых стены отделаны под палевый и лазоревый мрамор, лоснятся, как стекло, и украшаются во всю высоту широкими зеркалами, в которых отражаются во множестве видов и драгоценные бронзы и пышная мебель. Двери из берёзы под лаком с резьбою и позолотою, и отделки карнизов и потолков лепною работаю и живописью, довершают убранство. Белая под мрамор с колоннами зала представляет на стене ряд исторических изображений ... Гирлянды, как будто живых цветов вплелись и вьются по стенам белым как снег. Только что недостаёт аромата фиалкам и розам, а на потолке, который блещет золотом и как радуга пестреет цветами, столь легко начертаны прелестные гении и нимфы... Не говорю уже о ярких золотистых и малиновых штофах, устилающих стены комнат, о полах из розового дерева, анажу и гебенового, о коврах и прочее. Нельзя умолчать о превосходных обоях комнат в нижнем этаже (Царскосельской обойной фабрики). По синей, по оранжевой ткани блестят серебристые и золотые цветы, а там стены целой комнаты составлены из лиловых атласных подушек, со шнурами и кистями, складенных одна на другой. Это не иное что, как обои; но сбористый атлас, выпуклости подушек и кисти представлены столь живо, что кажется, чувствуешь мягкость их, и зрение, утомлённое блеском, как бы отдыхает на них".
Вместе с Карлом Росси над созданием интерьеров Михайловского дворца работали скульпторы С. Пименов и В. Демут-Малиновский, художники Д. Б. Скотти, А. Виги, Б. Медичи, П. Скотти, Ф. Брюлло, мраморщик Я. Щенников, резчики Ф. Степанов, В. Захаров, паркетчик С. Тарасов, мебельные мастера В. Боков, И. Боуман, А. Тур... Внутренное убранство обошлось дороже, чем строительство самого здания. Обои Царскосельской фабрики стали новинкой для того времени. Паркет был изготовлен из драгоценных пород дерева: красного, чефразового, сахарданового, фиолетового, чёрного, пальмового. Стоимость одной квадратной сажени паркета составила 160 рублей.
Широкая гранитная лестница у входа в здание украшена двумя статуями львов. Эти львы были отлиты в 1824 году специально для Михайловского дворца. Они являются копией античных статуй, найденных в началу XVI века при раскопках в Риме. Тогда была найдена фигура льва, опирающегося лапой на шар. Долгое время эта скульптура вместе с отлитой такой же парной украшала итальянские архитектурные ансамбли. А в конце XVIII века их копии привезли в Академию художеств. Вот с этих то копий и были сделаны львы для Михайловского дворца.
При великом князе Михаиле Павловиче в Михайловском дворце велась бурная жизнь, часто проходили великосветские балы. Ежедневно хозяин дворца принимал здесь военных и гражданских лиц. Иногда здесь проводились заседания различных комитетов, устраивались полковые праздники, давались аудиенции по случаям вступлений в должности. В Михайловском дворце какое-то время жил герой войны 1812 года, генерал-майор Д. В. Васильчиков. За порядком во дворце присматривали ветераны-инвалиды. Общее количество обслуги летом доходило до 300 человек, зимой - до 600. Главные должности занимали отставные военные, сослуживцы Михаила Павловича.
В 1849 году Михаил умер, 28 августа Михайловский дворец перешёл к его вдове, великой княгине Елене Павловне. При ней события здесь проходили не менее бурно. Она приглашала на встречи общественных деятелей, музыкантов, учёных, писателей. Во дворце проходили заседания салона Елены Павловны. Она встречалась с Пушкиным, у неё бывали Тютчев, Жуковский. Великая княгиня помогала художникам А. Иванову, К. Брюллову, И. Айвазовскому. Её салон посещал Н. Миклухо-Маклай. Здесь при помощи Елены Павловны А. Рубинштейн основал Русское музыкальное общество, а затем и первую в России Консерваторию. Михайловский дворец стал своеобразным культурным центром. По четвергам сюда съезжались государственные люди, учёные, литераторы, художники. Иногда эти "четверги" посещал сам Николай I. Бывал здесь и прусский посланник в России Отто фон Бисмарк (будущий канцлер Германии). Немного позже Михайловский дворец посещал и Александр II с супругой Марией Александровной.
Великая княгиня устраивала в Михайловском дворце не уступающие императорским балы. Марких де Кюстин, поражённый увиденным писал:
"Великая княгиня Елена для каждого устраиваемого ею праздненства придумывает, как мне передавали, что-нибудь новое, оригинальное, никому не знакомое. И на этот раз свет отдельных групп цветных лампионов живописно отражался на колоннах дворца и на деревьях сада, в глубине которого несколько военных оркестров исполняли симфоническую музыку. Группы деревьев, освещённые сверху прикрытым светом, производили чарующее впечатление, так как ничего не может быть фантастичнее ярко освещённой зелени на фоне тихой, прекрасной ночи.
Большая галерея, предназначенная для танцев, была декорирована с исключительной роскошью. Полторы тысячи кадок и горшков с редчайшими цветами образовали благоухающий боскет. В конце залы, в густой тени экзотических растений, виднелся бассейн, из которого беспрерывно вырывалась струя фонтана. Брызги воды, освещённые яркими огнями, сверкали как алмазные пылинки и освежали воздух. Роскошные пальмы, банановые деревья и всевозможные другие тропические растения, корни которых скрыты были под ковром зелени, казалось, росли на родной почве, и чудилось, будто кортеж танцующих пар какой-то чудодейственной силой был перенесён с дикого севера в далёкий тропический лес. Невольно грезилось наяву, так как кругом дышало не только роскошью, но и поэзией. Блеск волшебной залы во сто крат увеличивался благодаря обилию огромных зеркал, каких я нигде не видел ранее. Эти зеркала, охваченные золочёными рамами, закрывали широкие простенки между окнами, заполняли также противоположную стену залы, занимающей в длину почти половину всего дворца, и отражали свет бесчисленного количества свечей, горевших в богатейших люстрах. Трудно представить себе великолепие этой картины. Совершенно терялось представление о том, где ты находишься. Исчезали всякие границы, всё было полно света, золота, цветов, отражений и чарующей, волшебной иллюзии... Этот дворец как бы создан для праздненства, и казалось, что после бала вместе с танцующими парами исчезнет и эта волшебная зала. Я нигде не видел ничего более красивого..."
Всё описанное маркизом происходило в Танцевальном зале, который располагался в северо-западной части Михайловского дворца, ныне - Академический зал музея. Танцевальный зал украшали голубые коринфские колонны, белоснежные стены, фриз голубого искусственного мрамора. Отсюда можно было попасть в Столовую. Меду Танцевальным и Белым залами размещалась Первая гостиная.
В Михайловском дворце был произведён ряд перестроек. На первом этаже в Вестибюле был устроен Малый театр. Вместо Столовой на втором этаже появился Большой театр. Рядом с Первой гостиной устроили Малую дворцовую церковь во имя святой Елены. Первая гостиная (ныне зал Боровиковского) была превращена в мемориальный Петровский зал. Белый зал (Вторая гостиная) использовался как Музыкальная гостиная. Изменились интерьеры, мебель. Все эти работы производились по проектам Г. Э. Боссе, А. И. Штакеншнейдера, Р. А. Гедике и других архитекторов.