В 1770-1780 годах вдоль южной границы площади возвели несколько зданий по проекту Ю. М. Фельтена. На их месте в 1819-1829 было воздвигнуто грандиозное дугообразное здание Главного штаба (архитектор К. И. Росси) с триумфальной аркой. Два корпуса, соединённые аркой, охватывают пространство площади, придают ее облику торжественность и монументальность. Росси блестяще решил градостроительную задачу, создав композицию в рамках сложного плана участка, заданной Фельтеном дугообразной линии границы площади и острого угла площади с рекой Мойкой
С восточной стороны Дворцовой площади расположено большое здание штаба Гвардейского корпуса, (1837—1843 годы, архитектор А. П. Брюллов), в центре — Александровская колонна (1830—1834, архитектор Огюст Монферран, фигура ангела выполнена скульптором Б.И. Орловским). Как и Триумфальная арка Главного штаба, памятник посвящён победам русского оружия в войне с Наполеоном. Различные по стилям здания великолепно организуют пространство, согласованы в масштабе.
В ходе реставрации Дворцовой площади в 2001 году производились археологические исследования. В результате раскопок был найден фундамент флигеля Анны Иоановны. В своё время он представлял из себя трёхэтажный дворец, возведённый по проекту Растрелли в 1746 году. В соответствии с планом реставрации площади фундамент был изучен, сфотографирован и вновь зарыт землёй. В качестве одного из вариантов рассматривалась идея оставить фрагмент фундамента для обозрения, закрыв его толстым прочным стеклом.
В ночь с 25 на 26 октября 1917 года на Дворцовой площади произошёл решающий бой Октябрьского вооружённого восстания в Петрограде.
В советское время Дворцовая площадь была местом проведения демонстраций и парадов в дни революционных праздников. Около двадцати лет Дворцовая площадь официально называлась площадью Урицкого (в честь М.С. Урицкого, убитого рядом с Дворцовой площадью). Историческое название было восстановлено в январе 1944 года.
В 1977 году на Дворцовой площади были проведены значительные реконструктивные работы и выполнено декоративное мощение. В 2006 году была выполнена реставрация Александровской колонны.
В настоящее время на Дворцовой площади проводятся концерты и праздничные городские мероприятия. Вечером Дворцовая площадь становится местом концертов местных самодеятельных музыкантов.