Проект здания был предложен Василием Баженовым, автором знаменитого Царицинского комплекса, который, к сожалению, не был завершен из-за каприза Екатерины II. Там, под Москвой, впервые в России Баженов применил приемы неоготики, объединив их с мотивами национального (“нарышкинского”) барокко. Такие же приемы были использованы при проектировании дворца для императора-романтика.

Работами руководил итальянский художник-декоратор Винченцо Бренна, которому Павел I доверил должность первого архитектора двора. Все фасады Михайловского замка оформлены по-разному. Главный южный фасад церемониальным строем колонн напоминает архитектуру Франции времен Людовика XIV, короля-солнце. Именно с этой стороны Павел повелел водрузить конную статую своего прадеда, Великого Петра, выполненную еще мастером Растрелли в стиле барокко. Архитектура и скульптура взаимно дополняют друг друга.

С восточной стороны традиционно находится дворцовая церковь, украшенная золоченым шпилем. Фасад, обращенный к Летнему саду, предлагает умиротворение и созерцание природы с высокой открытой террасы под взорами статуй Геркулеса и Флоры. Оранжевый цвет стен дворца еще долго удивлял горожан, привыкших к приглушенным цветам классицизма.