На месте известного всему миру петербургского Зимнего дворца первая постройка появилась ещё при Петре I. Здесь, на набережной Невы, находились дома графа А. Ф. Апраксина, А. В. Кикина, С. В. Рагузинского, П. И. Ягужинского и Г. П. Чернышёва. Дом Кикина позже перешёл Морской Академии.
В 1711 году Пётр I указал построить для себя небольшой "деревянный домик в голландском стиле". Он разместился на том месте, где сейчас находится Эрмитажный театр. Его Пётр I и стал называть Зимним дворцом. В 1712 году к свадьбе Петра I и Екатерины I "маленький домик" был значительно перестроен и превращён в настоящий дворец. В 1718 году перед боковым фасадом дома прорыли канал, названный по дворцу Зимней канавкой. Перестройка первого Зимнего дворца была поручена архитектору Г.И.Маттарнови. В 1716 году он возвёл новый Зимний дворец.

28 января 1725 года здесь умер Пётр I.
Через 10 лет императрица Анна Иоанновна посчитала Зимний дворец слишком маленьким и в 1731 году поручила его перестройку Ф. Б. Растрелли. Для нового строительства были выкуплены находившиеся здесь дома графа Апраксина, и Чернышёва, а также здание Морской академии. Они были снесены, на их месте и был построен к 1735 году новый третий Зимний дворец. Здесь 2 июля 1739 года состоялось обручение принцессы Анны Леопольдовны с принцем Антоном-Ульрихом. После смерти Анны Иоанновны сюда привезли малолетнего императора Иоанна Антоновича, который пробыл здесь до 25 ноября 1741 года, когда Елизавета Петровна взяла власть в свои руки.
Императрица Елизавета Петровна также пожелала переделать под свой вкус императорскую резиденцию. 1 января 1752 года она приняла решение о расширении Зимнего дворца, после чего были выкуплены соседние участки Рагузинского и Ягужинского. На новом месте Растрелли пристраивал новые корпуса. По составленному им проекту эти корпуса должны были быть пристроены к уже существующим и быть оформлены с ними в едином стиле. В декабре 1752 года императрица пожелала увеличить высоту Зимнего дворца с 14 до 22 метров. Растрелли был вынужден переделывать проект здания, после чего решил строить его в новом месте. Но Елизавета Петровна отказалась от перемещения нового Зимнего дворца. В результате архитектор принимает решение строить всё здание заново, новые проект был подписан Елизаветой Петровной 16 июня 1754 года.
В 1754-1762 годах и появилось то здание, которое возможно наблюдать сейчас. В строительстве дворца были заняты тысячи крепостных.
В то время Зимний дворец стал самым высоким зданием в Санкт-Петербурге. Здание включало в себя около 1500 комнат. Елизавета Петровна не дожила до окончания строительства, принимал работу 6 апреля 1762 года уже Пётр III. К этому времени была закончена отделка фасадов, но многие внутренние помещение ещё не были готовы.

Летом 1762 года Петра III убили, окончено строительство Зимнего дворца уже при Екатерине II. Прежде всего императрица отстранила от работ Растрелли, распорядителем на стройке стал Бецкой. В 1763 году императрица переместила свои покои в юго-западную часть дворца, под своими комнатами она приказала разместить покои своего фаворита Г. Г. Орлова. Со стороны Дворцовой площади был обустроен Тронный зал, перед ним появилось помещение для ожидания - Белый зал. Позади Белого зала разместили столовую. К ней примыкал Светлый кабинет. За столовой следовала Парадная опочивальня, ставшая через год Алмазным покоем. Кроме того императрица приказала обустроить для себя библиотеку, кабинет, будуар, две спальни и уборную. В уборной императрица соорудила стульчак из трона одного из своих любовников, польского короля Понятовского. При Екатерине в Зимнем дворце был сооружён зимний сад, Романовская галерея. Тогда же завершилось формирование Георгиевского зала.
29 сентября 1773 года в Зимнем дворце состоялась свадьба будущего императора Павла I с Вильгельминой Гессен-Дармштадской (в православии - Наталья Алексеевна). После венчания высшая знать собралась в тронном зале, где был сервирован стол. Далее последовал бал, который открыли новобрачные. Однако платье Натальи оказалось столь тяжёлым из-за рассыпанных по небу драгоценных каменей, что она сумела протанцевать лишь несколько менуэтов. Пока Наталью раздевали, Павел ужинал в соседней комнате со своей матерью.
В 1776 году в покоях Зимнего дворца во время родов умерла великая княгиня Наталья Алексеевна. Вместе с ней умер так и не родившийся ребёнок.
В 1780 году Екатерина II решила неуместным хождение публики в Эрмитаж через её собственные покои. По её указу была создана галерея-перемычка между Зимним дворцом и Малым Эрмитажем, при помощи которой посетители могли миновать царские аппартаменты. Таким образов появились Мраморная галерея и новый Тронный зал. Он был открыт 26 ноября (день Святого Георгия) 1795 года и назван "Георгиевским". За ним расположили Апполонов зал.
До 1790 года с Парадной (позже Посольской, Иорданской) лестницы был вход в анфиладу из пяти залов примерно одного размера. Они вели к шестому - Тронному залу, расположенному в северо-западном углу дворца. В 1790-х годах три авансзала объединили в Большой (позже - Николаевский) зал. Перед ними был оформлен Авансзал, а за ним - Концертный зал.

При Николае I в 1826 году во дворце архитектором Карлом Росси была создана Галерея 1812 года, где расположились 332 портрета участников Отечественной войны. Открыта она была 25 декабря, в четырнадцатую годовщину изгнания французской армии из России. Карлом Росси же после открытия галереи были спроектированы помещения вокруг неё. Зодчим были задуманы Авансзал, Гербовый, Петровский и Фельдмаршальский залы. После 1833 года эти помещения достраивал Огюст Монферран.
В 1837 году в Зимнем дворце случился пожар. Потушить его не могли три дня, всё это время вынесенное из дворца имущество было сложено вокруг Александровской колонны. Усмотреть за каждой мелочью из всех вещей сложенных на Дворцовой площади было невозможно. Здесь лежала дорогая мебель, фарфор, столовое серебро. И несмотря на отсутствие адекватной охраны, ничего не пропало. Таким образом многие вещи удалось спасти, однако само здание пострадало так, что восстанавливать его тогда посчитали практически невозможным. От него остались только каменные стены и своды первого этажа.
Благодаря архитекторам В. П. Стасову и А. П. Брюллову уже через два года здание было восстановлено, было уменьшено количество скульптур на крыше дворца. Торжество по случаю восстановления Зимнего дворца состоялось в марте 1839 года. Планировка здания созданная в это время была сохранена почти без изменений вплоть до 1917 года.
В 1844 году Николаем I был издан указ о запрещении строить в Санкт-Петербурге гражданские здания выше высоты Зимнего дворца. Они должны были строиться как минимум на одну сажень меньше.
В 1869 году во дворце вместо свечного появилось газовое освещение. С 1882 года началась телефонизация помещений. В 1880-х годах здесь был сооружён водопровод (до этого все пользовались рукомойниками). На рождество 1884-1885 года в залах Зимнего дворца было опробовано электрическое освещение, с 1888 года газовое освещение постепенно заменялось на электрическое. Для этого во втором зале Эрмитажа построили электростанцию, 15 лет являвшуюся крупнейшей в Европе.