Работая над сооружением Смольного монастыря в декабре 1745 года, Растрелли получает новое распоряжение императрицы Елизаветы Петровны – начать строительство Верхних палат в Петергофе.
После поездки в Петергоф и тщательного изучения состояния дворца Растрелли представил царице свой проект, который в марте 1746 года был утвержден. Но сам архитектор был недоволен этим проектом, и через некоторое время он предлагает императрице построить новые каменные флигели с галереями и куполами. После разборки деревянных корпусов дворца стало ясно, что необходима полная перестройка обветшалого дворца.
Тогда-то и рождается у Растрелли замысел – разобрать флигели и галереи дворца, сооруженного еще Н. Микетти, сохранить сложившийся петергофский ансамбль, сделать петровский дворец центром нового здания, построить новые галереи с двумя флигелями и возвести два новых корпуса. Окончательный проект Растрелли был утвержден 7 апреля 1747 года.
Все основные работы по перестройке Большого Петергофского дворца архитектор завершил через три года. Растрелли выполнил также проекты декоративного убранства интерьеров. На это ушло еще пять лет трудов.
15 июня 1752 года Елизавета Петровна впервые устроила в обновленном Петергофском дворце прием. Присутствовавшие на нем придворные и приглашенные гости были в восторге от внешнего великолепия и внутреннего убранства дворца.
За сооружение дворца в Петергофе, которым императрица, кстати, была очень довольна, Растрелли не получил никакой награды. Некоторые исследователи это объясняют происками любимца Елизаветы Петровны Ивана Ивановича Шувалова, первого министра. Он, как известно, был поклонником искусства рококо. Может быть, поэтому свой дворец он поручил строить С.И. Чевакинскому, хотя все дворцы знатным вельможам строил именно Растрелли. Кроме того, создав в 1757 году Академию художеств, Шувалов не распорядился принять в ее члены обер-архитектора, что, конечно, было несколько странным.
Но Петергофский дворец служил как бы подготовкой к гораздо более значительному и цельному произведению зодчего – Большому (Екатерининскому) дворцу Царского Села.
Работы Растрелли в Царском Селе начались в 1748 году. Первоначально они заключались главным образом в переделках старого дворца. С 1752 года Растрелли приступил к новой перестройке всего здания. Екатерининский дворец Царского Села – одна из грандиознейших дворцовых композиции XVIII века. По своим масштабам, цельности пространственного построения, единству фасадных мотивов и отделки интерьера, по необычной насыщенности архитектурных форм пластикой и цветом – это произведение Растрелли представляет собой явление единственное в своем роде.
В основу общего плана Екатерининского дворца положен тот же тип блока-галереи, что и в основу дворца в Петергофе, но здесь этот блок принял размеры гораздо более значительные. Принцип «регулярности», правильности, четкости архитектурной композиции со всей определенностью выразился в строго прямолинейном плане Екатерининского дворца, в его простой и ясной пространственной схеме.
Для Растрелли весьма характерна композиция дворца в виде единого объема, без резкого выделения отдельных частей здания и его центральной оси. Ритм фасада определяется не столько объемными членениями сколько мощным рельефом колонн, чередующихся с оконными проемами. Фасадные стены галерей превращаются в сплошную колоннаду, в которой громадные окна занимают почти полностью междуколонные промежутки. В этом сочетании прозрачности с массивностью, в этом совмещении стены, пронизанной светом, со стеной, выступающей в виде мощного цоколя и колонн колоссального ордера – характерная особенность композиции Екатерининского дворца.
По своему внутреннему убранству Екатерининский дворец представлял собой, бесспорно, одно из самых замечательных дворцовых зданий мира.
Замечательным памятником архитектуры, творением рук Растрелли является Зимний дворец. У дворца были предшественники: два деревянных и четыре каменных. Совершенно точно известно, что пятый Зимний дворец Растрелли строил вместе со своим отцом.
16 февраля 1753 года Елизавета Петровна издает указ о строительстве нового Зимнего дворца. Однако прошло больше года, прежде чем был окончательно утвержден четвертый по счету проект Зимнего дворца. Растрелли пришлось приложить немало сил, потратить время и нервы, чтобы убедить царицу строить не просто дворец, а создавать ансамбль, в котором дворец хоть и главная, но все же часть этого ансамбля. По замыслу Растрелли, Зимний строится на Дворцовом лугу. Площадь перед дворцом окружит галерея с широким разрывом напротив него.