Последний владелец Павловска князь императорской крови Иоанн Константинович (1886–1918) был вынужден покинуть его в ноябре 1917 г. После этого правительственным комиссаром и хранителем Павловского дворца и парка по распоряжению наркома просвещения А.В. Луначарского назначили искусствоведа А.А. Половцева, проводившего ранее по поручению Иоанна Константиновича инвентаризацию художественных коллекций. В январе 1918 г. Павловский дворец и парк объявили музеем по приказу Народного комиссариата просвещения. Открытие музея для первых экскурсантов произошло 7 июня 1918 г. Половцев вскоре эмигрировал, и хранителем избрали архитектора В.Н. Талепоровского (1884–1958), тот приложил много усилий для сохранения и изучения дворцово-паркового ансамбля. В работе по организации музея участвовали известные знатоки художественных сокровищ Павловска А.Н. Бенуа, О.Ф. Вальдгауер, В.Я. Курбатов.
В годы Великой Отечественной войны и оккупации фашистами города Павловска дворцово-парковый ансамбль претерпел большой ущерб. Дворец в результате пожара превратился в руину, вырубили тысячи деревьев, причем некоторые районы опустели почти полностью. В парке перед памятником императрице Марии Федоровне немцы устроили кладбище (эксгумациюя захоронений произвели в 2002 г.). После освобождения в 1944 г. Большой дворец в Павловске был первым, который предстояло отреставрировать, и первым – возродившимся из пепла. По его примеру восстанавливали все разрушенные войной дворцы Петербурга.
В 1944 г. извлекли из земли спрятанную в парке скульптуру, расчистили дороги, убрали мусор, выкорчевали пни, начали посадки деревьев и кустарников. Парк открыли для посещения в год окончания Великой Отечественной войны. В 1944–1947 гг. проводились разминирование, консервационные работы, археологические исследования, архитектурные обмеры, фотосъемка, сбор уцелевших деталей отделки, в дальнейшем они стали эталонами для восстановления.
Впервые под руководством директора Павловского дворца-музея А.И. Зеленовой, энтузиаста музейного дела и превосходного организатора, были выполнены исследования по разработке методики изыскательских и научных работ, на основе которых в дальнейшем проводилась реставрация дворцово-паркового ансамбля. Реставрационный совет возглавлял В.Н. Талепоровский, предоставивший свои архивные материалы для возрождения облика разрушенного дворца. Восстановительными работами вначале руководил архитектор Ф.Ф. Олейник, позднее работы возглавляла архитектор С.В. Попова – Гунич. В большом творческом коллективе трудились В.К. Якоби, Г.А. Соколовский, В.Б. Можанская, И.Г. Капцюг, Ю.И. Синица, М.И. и Т.С. Толстовы.
Полученный опыт использовался позже повсюду для сохранения культурного наследия и стал базой для становления ленинградской школы реставрации. Именно в Павловске в 1945 г. появились первые специализированные реставрационные мастерские. Все проектные решения подвергались тщательному анализу и обоснованию, рассматривались Научно-экспертным советом и осуществлялись под наблюдением ГИОП. Обширные работы по реставрации требовали решения необычайно трудных задач, они проводились в небывало сложных условиях послевоенного восстановления страны. Метод консервации уцелевших фрагментов архитектурного декора прежде всего применили в Павловске, и благодаря этому работы там шли быстро, эффективно использовались выделенные государством средства.
В 1955 г. закончилось восстановление фасадов, и дворец был подготовлен к отделке интерьеров. Парадную анфиладу из 7 залов, включая Тронный и Кавалерский, открыли в 1957 г., в следующем – еще 4 зала с Картинной галереей, а в 1960 г. к ним прибавилось еще одиннадцать, среди них – Пилястровый кабинет, «Фонарик». Отделку Парадного и Египетского вестибюлей закончили в 1963-м, через два года – Итальянский зал. К 1970 г. реставрацию отделки основных 45 парадных интерьеров дворца завершили.
Реставрацию многих парковых павильонов выполнили в основном в 1960–1970-е гг., в ней участвовали архитекторы С.В. Попова-Гунич, А.А. Кедринский, Н.М. Уствольская, художники Я.А. Казаков, Л.А. Любимов.
Восстановление основных районов парка проводилось на основе довоенной подеревной и ландшафтной инвентаризации, выполненной под руководством архитектора Л.М. Тверского. Для этого к 1965 г. высадили 70 тысяч деревьев, 90 тысяч декоративных кустарников, расчистили 105 километров аллей и дорог. Работы шли под руководством архитектора С.В. Поповой-Гунич, в них участвовали Н.И. Громова, Г.А. Куровский, Н.И. Ануфриев, М.А. Флит, Е.А. Комарова. В результате была возобновлена объемно-пространственная композиция Большой Звезды, где во время войны почти полностью вырубили деревья. Позже по проекту Е.А. Комаровой возвратили первоначальный облик обширному парковому району Белой Березы.