Павел I, сын Екатерины Великой, хотел, чтобы дворец был построен так, чтобы можно было чувствовать себя в безопасности от врагов. Свою мать, Екатерину II, виновную в смерти Петра III, Павел считал узурпаторшей. Со всех сторон дворец был окружен водой. С севера и востока протекали реки Мойка и Фонтанка, а с юга и запада проходили Церковный и Вознесенский каналы. Таким образом, замок был окружен каналами (ныне засыпанными) и подъемными мостами. Канал с южной стороны подходил вплотную к цоколю, и возникало впечатление, что здание вырастает прямо из воды. Во дворец можно было добраться только по трем подъемным мостам, которые усиленно охранялись.

Ни один фасад здания не был повторяем, но, несмотря на это, дворец воспринимается как целостный объем. Главным южным фасадом замок выходил непосредственно на гранитный берег канала, отчего его стены, облицованные красным гранитом и розовым олонецким мрамором «цвета пламени и пепла», казались вырастающими прямо из воды. К главному фасаду подводили три каменных моста: средний, предназначавшийся для царственных особ и иностранных послов, и два боковых, располагавшихся под углами. С остальных трех сторон была открытая территория острова, на которую с юга, запада и севера можно было попасть по подъемным мостам. У мостов стояли караулы.

Перед воротами главного южного фасада распланировали площадь Коннетабль. В центре площади перед дворцом был установлен памятник Петру I, выполненный еще при жизни Петра Великого. На постаменте помещена лапидарная надпись: «Прадеду правнук» – в знак законности престолонаследия. Памятник возведен на пьедестал, облицованный олонецким мрамором белого, розового и зеленоватого оттенков и украшенный двумя бронзовыми барельефами – «Полтавская баталия» и «Битва при Гангуте», а также аллегорической композицией с трофеями. Через ров, окружавший площадь Коннетабля с памятником Петру I в центре, был переброшен деревянный подъёмный мост, по обоим сторонам которого стояли пушки. За памятником – ров и три моста, причем средний мост предназначался только для императорской семьи и иностранных послов и вёл к главному входу. В 2003 году во внутреннем дворе замка установлен памятник Павлу I.

Для ускорения работ были переброшены строительные материалы с других строек: декоративный камень, колонны, фризы и скульптуры из Царского Села и Академии художеств (были разобраны несколько павильонов в Царском Селе и дворец в Пелле); со стройки Исаакиевского собора по проекту Ринальди – мрамор, в том числе фриз с надписью, который поместили над главными воротами; из Таврического дворца – наборный паркет.

По распоряжению императора строительство велось днем и ночью (при свете фонарей и факелов), так как он требовал отстроить замок вчерне в тот же год. Число рабочих, трудившихся на стройке, доходило до 6 тысяч человек одновременно. 21 ноября 1800 года, в день святого Архангела Михаила, замок был торжественно освящён. Был построен целый ансамбль, в центре которого находился великолепный замок-дворец в готическом стиле, окруженный водой и подъемными мостами. Работы по его внутреннему убранству ещё продолжались до марта 1801 года.

Вокруг находились бастионы с орудиями (окружающие Михайловский замок постройки не сохранились, за исключением конюшен, манежа и двух павильонов).

Не случаен и выбор розовато-кирпичного цвета, входящего в символику мальтийцев. Обычное объяснение этого цвета анекдотом, согласно которому галантный Павел поднял на балу перчатку, оброненную его фавориткой А. Лопухиной, и велел отправить ее архитектору в качестве образца цвета здания, мало согласуется с серьезностью намерений императора.

В композицию южного фронтона замка включена скульптурная группа «История заносит на свои скрижали славу России». На аттике здания две фигуры Славы держали щит с гербом Российской империи. На парапете кровли находились статуи, символизирующие российские губернии (они не сохранились). Восемь статуй означали восемь главных губерний, это число соответствовало восьми провинциям ордена иоаннитов. На порфировом фризе золочеными буквами сияла надпись: «Дому Твоему подобает Святыня Господня в долготу дней». Петербургская юродивая Ксения Блаженная предсказала, что царствующий император проживет столько лет, сколько букв в этой надписи (в старой орфографии – 47). И действительно, жизнь императора оборвалась на 47-м году. На пьедесталах по сторонам эффектной лестницы северного фасада замка установили две бронзовые фигуры: Геракла Фарнезе и Флоры (император распорядился перенести эти статуи с «Камероновой галереи» в Царском Селе). Смешение в облике замка классицистических и барочных элементов, разнородных романтических мотивов декора относит его к переходному периоду в русской истории и истории архитектурных стилей. Считается, что уникальный облик Михайловского замка представляет собой архитектурный портрет самого императора.

1 февраля 1801 года Павел и его семья переехали в новый дворец. Павел I переселился в Михайловский замок, когда еще даже не успели просохнуть стены нового здания и, по свидетельству очевидцев, в помещениях «стоял густой туман». Многочисленные гости едва различали нежный бархат и обивку стен, расписанные выдающимися мастерами плафоны.

В помещения замка со стороны подъездного парадного двора вели четыре каменные лестницы: слева – парадная с широкими маршами, следующая – в церковь, третья – в кордегардию и четвертая – в жилые покои. На второй этаж вела парадная лестница с гранитными ступенями и ограждающими балюстрадами из серого сибирского мрамора, стены также были облицованы мраморами разных сортов. На верхней площадке лестницы всегда стояли на часах два гренадера, а в примыкавших к ней овальных вестибюлях располагались гвардейцы, охранявшие входы в парадные апартаменты.

Большой тронный зал – зал, поражающий своим великолепием. Его стены были затянуты темно-зеленым, затканным золотом бархатом в обрамлении золоченой резьбы. На темно-зеленом фоне выделялся трон под балдахином, обитый пунцовым бархатом с золотым шитьем. В нишах над дверьми помещались беломраморные бюсты римских императоров, над ними возвышались аллегорические фигуры Правосудия, Мира, Победы и Славы. По периметру зала размещались гербы всех 66 областей, подвластных российскому скипетру. С украшенного живописью плафона свешивалась огромная из золоченой бронзы люстра с сорока подсвечниками. Убранство зала дополняли бронзовые жирандоли, вазы, часы с бронзовыми фигурами, столы из драгоценных пород дерева, канделябры и бра.

Анфилада жилых комнат Павла I – прихожая, стены которой украшали семь картин; адъютантская, обставленная белой с позолотой мебелью, личная библиотека, где книги размещались в восьми шкафах красного дерева, стены были завешаны картинами, изображавшими виды Павловска и Гатчины; опочивальня, служившая одновременно и кабинетом, стены которой, обшитые белыми деревянными панелями, украшали 22 картины. В проходе между библиотекой и опочивальней были две двери: одна открывалась в кладовую со знаменами, другая вела на потайную лестницу, по которой можно было спуститься в комнаты императора, расположенные на первом этаже. Дверь напротив библиотеки вела в Угловой овальный будуар, а оттуда в комнаты императрицы.

Общий Столовый зал – один из залов анфилады парадных покоев императрицы Марии Федоровны. В его отделке использованы 2 люстры на пятьдесят свечей, предназначавшиеся первоначально для Георгиевского зала Зимнего дворца, и два камина из сибирского порфира.

Тронная императрицы Марии Федоровны – зал, в котором стоял трон. Стены помещения были затянуты малиновым бархатом. В центре потолка в окружении частично вызолоченной и раскрашенной лепки помещался плафон «Суд Париса», в аллегорической форме прославлявший красоту хозяйки замка. Всего в Михайловском замке тронных зал было пять: две – самого государя-императора, потом государыни, великого князя и наследника Александра Павловича и его брата Константина, имевшего титул цесаревича.

Георгиевский зал – кордегардия для кавалеров Мальтийского ордена. Примыкал к Круглому Тронному залу императора, много раз перестраивался. В 1953 – 1954 годах в зале проводились реставрационные работы, был частично реконструирован его первоначальный облик, при этом воссозданы многие элементы исторического убранства.