Однако из-за небольших размеров здание решено было реконструировать. Проект реконструкции сделал виднейший архитектор того времени В. Растрелли. Перестройка длилась с 1747 по 1752 год. Растрелли расширил центральную часть здания и сделал ее трехэтажной, построил флигели, выходящие в Верхний парк, создал большие галереи и закончил их двумя высокими корпусами, увенчанными куполами.
Из внутренних помещений остались неизмененными только кабинет Петра I и дубовая лестница. Заново были созданы пять парадных залов и анфилада гостиных. Для убранства всех этих помещений использовались деревянная золоченая резьба, зеркала, живописные плафоны и наборные паркеты. Особенно интересно был отделан Чесменский зал, посвященный победе русского флота над турецким. Он был украшен 12 большими картинами художника Ф. Гаккерта.
Позже по проекту архитектора А. Штакеншнейдера у восточного флигеля был надстроен третий этаж, и восточный флигель стал симметричен западному.
С осью дворца совпадает ось Верхнего парка, центром его композиции является фонтан Нептун. У входа в парк разбиты цветники регулярного типа, недалеко от дворца располагаются два фонтана — Квадратный и Дубовый, а перед самым дворцом в бассейнах квадратной формы — фонтаны Весна и Лето.
Фонтан Нептун в начале XVIII века украшала деревянная скульптурная группа Нептунова телега в виде раковины с сидящим в ней морским богом Нептуном, которую везли дельфины. В конце XVIII века ее заменили многофигурной бронзовой группой со статуей Нептуна. Около 40 фигур — наяд, тритонов, дельфинов, морских коней — окружают бога морей с трезубцем в руке.
Партер украшают симметрично расставленные мраморные статуи и низкие шарообразно подстриженные деревца. К боковым крыльям дворца подходят тенистые липовые аллеи.
В 1710 году по распоряжению Петра I начал создаваться Нижний парк, названный так потому, что располагался он на низком заболоченном месте. Через 10–15 лет он уже занимал площадь более 100 га.
Н. Федорова и А. Раскин отмечают:
В планировке Нижнего парка сочетаются три трехлучевые композиции. Первая композиция включает центральный луч по оси от дворца к морю, правый луч (до павильона Монплезир) и левый (до павильона Марли). Вторая композиция начинается у павильона Марли — левый луч ведет к павильону Монплезир, центральный доходит до парка Александрия, а правый луч — до площадки у Шахматной горы. Третья композиция идет от площадки у Шахматной горы: центральный луч доходит до павильона Монплезир, левый пересекается аллеей, которая соединяет Монплезир с Марли, правый луч идет к другому павильону.
Авторы книги „Парки мира“ отмечают:
Перед северным фасадом Большого дворца открывается панорама Нижнего парка, где размещены павильоны Марли, Монплезир, Эрмитаж. На склоне подножия дворца возвышается Большой каскад.