В 1835 г. Николай I повелел в память о рождении в Царском Селе великого князя Николая Николаевича выкупить дачу супруги покойного государственного канцлера князя Кочубея. Покупка со всеми принадлежащими к ней строениями и садом, но без мебели, за объявленную княгиней Кочубей цену в триста тысяч рублей совершена из средств Удельного ведомства. До совершеннолетия Его Императорского Высочества дача оставалась в ведении Царскосельского дворцового правления. На время летних маневров на даче великого князя Николая Николаевича размещали штаб гвардейского корпуса и адъютантов великого князя Михаила Павловича. С 1839 г. она отводилась для жительства великой княгини Марии Николаевны с супругом, принцем Лейхтенбергским.
Существенную перестройку Царскосельской дачи предприняли к совершеннолетию великого князя Николая Николаевича. Работы выполнялись в 1856–1857 гг. по проекту архитектора И.И. Шарлеманя с помощью архитектора Царскосельского дворцового правления Н.С. Никитина и каменных дел мастера С. Ламони. За этот проект перестройки Шарлемань получил звание академика архитектуры. Вместо прежнего крыльца на садовом фасаде соорудили эффектную террасу с двумя двухмаршевыми лестницами, поднимавшимися до уровня бельэтажа. Две наружные лестницы, сбегавшие по полукругу в сторону Екатерининского парка, разобрали. На фасаде, обращенном в сторону Софийского бульвара, соорудили новый подъезд с балконом и двумя пандусами. По сторонам главного входа установили две скульптуры львов. Прежде открытые портики заложили и превратили в закрытые веранды с окнами между колоннами. Гладкие поверхности фасада переоформили штукатуркой под руст, цоколь обработали «шубой», изменили высоту окон в первом и третьем этажах, частично перепланировали здание внутри. По окончании строительных работ Царскосельскую дачу у великого князя купило Министерство Императорского двора. В 1859 г. Александр II повелел называть ее Царскосельским Запасным дворцом. В дальнейшем здесь отводились квартиры для придворных, устраивались выставки цветов из Царскосельских оранжерей.
В 1867 г. здесь жил Александр Иванович Чивилев, профессор Московского университета. Он имел звание действительного статского советника и с 1849 г. состоял на службе в Удельном ведомстве, будучи преподавателем великих князей Александра, впоследствии императора Александра III, и его брата Владимира. В квартире, где он жил, случился большой пожар, во время которого квартира А.И. Чивилева выгорела, а сам он погиб.
Восстановительный ремонт произвел архитектор А.Ф. Видов. После ремонта некоторое время главное здание дворца занимал министр императорского двора граф А.В. Адлерберг.
В 1875 г. император Александр II предоставил Запасный дворец с садом великому князю Владимиру Александровичу. Архитектор А.Ф. Видов возвел здесь в 1876–1878 гг.
1) Дворец должен переходить старшему в роде Вашего Высочества,
2) Ни Ваше Императорское Высочество, ни Августейшие наследники Ваши не вправе отчуждать упомянутый дворец, 3) Разрешается возвратить дворец в собственность Его Величества Государя Императора, в случае если Ваше Императорское Высочество или Наследники Ваши не пожелают более им владеть, но возврат этот должен быть безденежным и 4) На содержание Запасного дворца будет продолжаться отпуск денег из сумм департамента уделов»[85]. После смерти великого князя последовало Высочайшее соизволение переименовать дворец во Владимирский (1910 г.), в саду был установлен его бронзовый бюст (не сохранился). Видимо, в эти же годы на фасаде полукруглого выступа устроили фонтан с мраморной скульптурной маской амура, изо рта которого била струя воды.