Торжественная закладка здания Мраморного дворца состоялась 10 октября 1769 года. Как и положено для строений подобного рода, в его основании заложили мраморный ларец с монетами различного достоинства. Руководство всеми строительными работами императрица поручила полковнику-артиллеристу М.И. Мордвинову. Надзор за строительством дворца осуществляли автор проекта Антонио Ринальди и архитектор Петр Егоров. Ежедневно на стройке были заняты не только сто каменщиков и иных мастеровых, но и отряд артиллерийских фузилеров из военного соединения полковника Мордвинова. На стройке нередко можно было видеть и саму императрицу, регулярно поощрявшую лучших специалистов. По Неве к почтовой пристани регулярно доставлялись строительные материалы – плиты разноцветного мрамора и отполированного карельского гранита. Плиты обрабатывались на местах их добычи или непосредственно на строительной площадке.
В 1769 году завершились все строительные работы «в кирпиче» – возвели стены, своды и фундамент здания. С 1774 года приступили к отделке наружных и внутренних стен мрамором и гранитом. Параллельно с ними производилось художественно-декоративное оформление отдельных дворцовых помещений. Перед полным завершением всего комплекса намеченных строительных работ находящийся на лесах автор проекта А. Ринальди внезапно сорвался и упал вниз, получив при падении тяжелые травмы. Не дождавшись окончания всех работ, знаменитый зодчий вынужден был покинуть Россию и вернуться в Италию.
Мраморный дворец относится к наиболее выдающимся памятникам зодчества русского классицизма. Его фасады облицованы естественным камнем – гранитом и 32 сортами природного мрамора из Карелии, Урала и Италии. В России, в частности, поиски залежей мрамора увенчались небывалым в ее истории успехом. Обнаруженные богатые месторождения отечественного мрамора по качеству не уступали итальянскому.
Массивное здание дворца располагалось на участке, имеющем в плане форму неправильного четырехугольника. Его главный фасад ориентирован в сторону небольшого дворцового садика, ибо тогда еще вдоль восточной границы участка проходил широкий Красный канал, соединявший Неву с Мойкой.
После возведения на лугу служебного корпуса дворца, Красный канал засыпали, а главное здание соединили со служебным по набережной Невы и Миллионной улице высокой кованной железной решеткой со столбами розового гранита, завершенными изящными вазами из белого мрамора.
Если фасады дворца, выходящие на набережную Невы, Миллионную и в Мраморный переулок, выглядели всегда довольно строго и сдержанно, то основной – Главный фасад, обращенный к петровскому Летнему саду, выглядел парадно и имел довольно сложную и весьма оригинальную художественно-декоративную обработку. Центр фасада и его боковые ризалиты украшены не пилястрами, а колоннами. Между выступами (ризалитами) находился парадный дворцовый двор. В то время его отделили от набережной Красного канала солидной декоративной стеной, облицованной розовым гранитом. В ее центре возвели парадные ворота, богато украшенные бронзовыми позолоченными розетками.
Перед торжественным завершением строительства Мраморного дворца над его входом закрепили величественную надпись «Здание благодарности», на карнизе, венчающем главный дворцовый (восточный) корпус, искусно обустроили небольшую башенку с часами, а по обеим сторонам поставили аллегорические фигуры Верности и Щедрости, изготовленные скульптором Ф.И. Шубиным из белого итальянского мрамора.
Антонио Ринальди предусмотрел для своего величественного сооружения весьма надежную крышу. А.И. Фролову – главе издательства «Глагол», удалось обнаружить подтверждение подобной надежности и долговечности дворцовой кровли. Оказалось, что «для обустройства кровли Мраморного дворца в Сестрорецке специально изготовили медные листы. Подгонка и пайка листов была произведена столь тщательно, что здание на протяжении 150 лет не знало никаких протечек. После ремонта в советское время в 1931 году они появились».
Высокий цокольный этаж дворцового сооружения облицевали розовато-серым, а стены второго и третьего этажей здания – светло-серым отполированным сердобольским гранитом.
Изящные пилястры коринфского ордера – декоративное украшение фасадов дворца, каменщики вытесали из бледно-розового тивдийского мрамора.
Из отечественных цветных мраморов изготовлены фриз, аттик и подоконные филенки с изящными гирляндами. При этом заметим, что достигнутый мастерами высочайший художественный эффект облицовки дворца основан на умелом сочетании тональности природного мрамора и гранита.