Основательным переделкам подвергся сам дворец, построенный Камероном, — центральное сооружение всего комплекса. Бренна надстроил и значительно расширил боковые корпуса и пристроил к южному из них Церковный флигель. Он решил совершенно по-новому конфигурацию галерей между центральным и боковыми корпусами. Эти соединительные одноэтажные галереи-переходы были расширены, над ними поднялся ещё один этаж, наконец, появились два новых изогнутых крыла, продолжившие полукруг старых галерей, едва не замкнув парадный плац перед дворцом, что сразу изменило его облик, превратив из приветливо раскрытой навстречу парку площадки в почти закрытое, обособленное пространство. Предполагалось даже соорудить ров перед плацем, подобно Михайловскому замку в Петербурге или крепости Бип в Павловске, чтобы ещё более изолировать и, как предполагалось, надёжно защитить дворец.
Естественно, все эти работы во многом изменили облик здания Камерона, хотя общий характер архитектурного решения в принципе остался прежним.
Ещё большие изменения произошли внутри. Здесь Бренна завершил художественное оформление важнейших залов дворца — Итальянского и Греческого, задуманных ещё Камероном, и создал много новых помещений. В их числе Кавалерский и Большой (или Тронный) залы, Картинная галерея, Дворцовая церковь, несколько кабинетов (Малый, Общий, Малиновый, три проходных), Камердинерская, Фрейлинская, Оркестровая и другие комнаты. Совсем иным стал характер интерьеров: на смену сдержанной приветливости Камерона пришла щедрая декоративность, заставляя кое-где вспоминать о временах торжества зрелого барокко. Среди залов и покоев дворца, обязанных во многом своим обликом искусству Бренны, — основные парадные помещения второго этажа центрального корпуса.
Работы в центральной части здания не исчерпывают всего, что сделал Бренна во дворце. В 1797 году изогнутое крыло между центром и южным корпусом заняла созданная им во втором этаже Картинная галерея. Архитектором отлично найдены пропорции вытянутой полукругом Картинной галереи — она выглядит эффектно и нарядно, несмотря на сдержанность архитектурного убранства. Это впечатление усилено живописными плафонами-картинами работы Я. Меттенлейтера, воссозданными в наши дни А.В Трескиным. Особенно выделяется центральный из них — «Триумф Аполлона», созданный по композиции знаменитого итальянского живописца Гвидо Рени. Собранные в Картинной галерее произведения живописи, многие из которых имеют большую художественную ценность, воспринимаются в органическом единстве с обликом самого зала.
После того как в мартовскую ночь 1801 года Павел I погиб от руки своих приближённых, полновластной и единоличной хозяйкой его летней резиденции стала вдовствующая императрица Мария Фёдоровна. Располагая огромными средствами и практическими возможностями для дальнейшего расширения и оборудования дворцово-паркового комплекса, Мария Фёдоровна старалась привлечь в Павловск лучших архитекторов, скульпторов, художников. Здесь работали прославленные зодчие, гением которых созданы грандиозные ансамбли центра Петербурга, превратившие в начале XIX века русскую столицу в один из прекраснейших городов мира. В числе этих архитекторов был Джакомо Кваренги (1744–1817) — один из виднейших представителей русского классицизма. В 1800–1801 годах Кваренги деятельно участвовал в отделке внутренних помещений дворца. В первом этаже центрального корпуса по его проекту был оформлен Новый кабинет, с которого начиналась анфилада личных покоев Павла I. Облицованные искусственным мрамором стены, зеркала, лепка, покрытая позолотой, цветные гравюры, воспроизводящие фрески Рафаэля в Ватикане, придают кабинету нарядность, хотя, в общем, в его облике ощутима сдержанная строгость, обычная для творческой манеры мастера.
Кваренги был одним из создателей, наряду с Воронихиным, анфилады жилых комнат в первом этаже соединительного крыла между центральным и южным корпусами дворца. По его замыслу и под его руководством отделана здесь Туалетная комната, где белый и цветной искусственный мрамор стен отлично сочетается с росписями живописного фриза и плафона кисти Скотти и с предметами убранства, выполненными по рисункам Воронихина. Наконец, в этой же анфиладе расположен Пилястровый кабинет — лучший интерьер Кваренги в Павловске. Работа Кваренги во дворце не ограничивалась отделкой некоторых интерьеров. Снаружи, при входе в Собственный садик, он пристроил две террасы, украшенные мраморными балюстрадами и скульптурными изображениями льва и львицы. Они дополнили облик здания, ещё раз подчеркнув его органическую связь с парковым окружением.
В ещё большей степени, чем у Кваренги, с Павловском связана деятельность замечательного зодчего Андрея Никифоровича Воронихина. Довольно долгое время Воронихин был главным архитектором Павловска — здесь расцвет его деятельности падает на самое начало XIX века. Одна из основных задач, вставших перед ним в летней резиденции Марии Фёдоровны, возникла неожиданно: ему предстояло восстановить здание дворца после страшного пожара 1803 года.
Зодчий принялся за дело с энергией и увлечённостью. За очень короткое время он провёл действительно титаническую работу, создав, по существу, новое оформление большинства дворцовых помещений. Многочисленные рисунки и чертежи дают наглядное представление о щедрости фантазии, благородстве вкуса и профессиональном мастерстве Воронихина. Стремясь не нарушить при восстановлении дворца замыслов своих предшественников, он в то же время внёс в решение почти каждого интерьера нечто своё, индивидуальное, дополняя и обогащая убранство. В Итальянском зале это фигуры орлов на карнизе, кариатиды между арками, балюстрады хоров, в Греческом зале — светильники, в Малом кабинете и Библиотеке — мебельный гарнитур, в зале Войны — плафон с лепкой. Перечень можно продолжить почти в любой комнате.
Последним из великих зодчих прошлого, работавших в Павловске, был Карл Иванович Росси (1775–1849). Во дворце, на месте, где находилась спальня Павла I, по его замыслу была отделана Угловая гостиная (в 1816 г.) — первый из интерьеров, выполненных им в Петербурге и его окрестностях. Росси стремился, чтобы лиловато-сиреневые стены, обогащённые росписью под бронзу, органически сочетались с мебелью, люстрой, драпировками окон, высокими дверями с золочёной резьбой. Эскизы всех деталей оформления — и мебельного гарнитура, и бронзовой люстры с цветным хрусталём, и всего остального — выполнил сам архитектор. Его искусство можно оценить и в наши дни: утраченная ещё в прошлом веке отделка комнат восстановлена сейчас в первоначальном виде под руководством А. В. Трескина.
Ещё через несколько лет, в 1822 году, Росси создал одно из лучших помещений дворца — Библиотеку, занимающую второй этаж соединительного корпуса между центральной частью здания и северным боковым флигелем. Как и в других интерьерах, он добился здесь полного единства архитектурного решения самого зала и его убранства. Шкафы из волнистой берёзы, изогнутые полукругом, следуя конфигурации помещения, и украшенные резьбой под тёмную бронзу, столы, люстры, подсвечники — всё здесь замечательно гармонирует с отделкой зала. Библиотека Росси выглядит торжественно, и этого впечатления архитектор добился сравнительно скупыми средствами, не прибегая к щедрой декорировке.
В 1828 году умерла Мария Фёдоровна; новым владельцем Павловска стал брат Николая I Михаил Павлович, а затем другой великий князь — Константин Николаевич. Ни они, ни другие члены царской семьи, в собственность которых перешли дворец и парк позднее, не заботились должным образом о дальнейшем благоустройстве и даже о сохранении всего, что уже было создано.
После Февральской революции 1917 года Временное правительство приняло решение о национализации дворцового имущества и устройстве музеев.
Большая группа известных деятелей русской культуры во главе с графом Валентином Зубовым, основателем и первым директором Всероссийского института истории искусств, обратилась к правительству с требованием создать особую комиссию по описанию и учёту художественных коллекций во всех дворцах Романовых, как в Петрограде, так и в пригородах. В Павловске подобную комиссию возглавил Александр Александрович Половцев, выдающийся знаток прикладного искусства. Половцев был поражён исключительной художественной целостностью дворца (ранее императорские дворцы были практически недоступны для историков-искусствоведов). В начале XX века во всём мире не существовало другого подобного ансамбля, выстроенного и украшенного за короткий отрезок времени (рубеж XVIII–XIX вв.). Атмосфера этого дворца оказывала такое влияние на посетителей, что им казалось, будто они попали из бурного XX века в тихий XVIII век. Взамен восковых свечей во дворце только-только начали проводить электричество. Именно в такой обстановке и началась систематизация художественных коллекций дворца.
