С 1746 года и до начала следующего десятилетия работы проводились по проектам и под общим руководством великого Франческо Бартоломео Растрелли (1700–1771), мастера русского барокко, автора таких шедевров, как Смольный монастырь и Зимний дворец в столице, Петергофский и Царскосельский дворцы в ее пригородах. По-видимому, основным исполнителем замыслов Растрелли в Ораниенбауме являлся каменных дел мастер Мартин Людвиг Гофман. К середине 1750-х годов имя Растрелли в документах по строительству Ораниенбаумского дворца постепенно исчезает — оно заменяется с 1756 года именем Антонио Ринальди (ок. 1710–1794), итальянского архитектора, прибывшего в Россию в 1751 году. Теперь он стал архитектором «малого» двора.
Начавшиеся с 1746 года архитектурно-строительные работы прежде всего коснулись Большого, бывшего меншиковского, дворца, исходный пространственно-художественный замысел которого Растрелли бережно сохранил. Он принял также во внимание идеи, намеченные, но не осуществленные его предшественниками в 1730-е годы. Была реконструирована парадная лестница. Примечательно, что при этом использовали бук, специально доставленный из Гольштейна, а на стенах второго этажа поместили вензеля Петра Федоровича, выполненные латинскими буквами, — «P. F.». Лестница, по которой посетители входили во дворец, превращалась в символическую реплику пути, совершенного хозяином из Гольштейна в Россию.
Сложившееся еще во времена первого владельца Большого дворца, Меншикова, деление на две половины — «мужскую» (западную) и «женскую» (восточную) — сохранилось. В 1748–1750 годах были пристроены задуманные еще раньше так называемые «приделочные» комнаты, позволившие расширить внутреннее пространство дворца. Поверх дугообразных крыльев возникли прогулочные галереи, обрамленные изящной балюстрадой. В западном павильоне, где находилась придворная Пантелеймоновская церковь, был установлен резной алтарь работы москвича И. П. Зарудного. Восточный павильон в 1754–1755 годах был разделен на два этажа — там устроили Эрмитаж с большим обеденным столом. Каждое место было снабжено подъемным устройством, с помощью которого снизу подавались блюда с едой. Специальная лестница вела к выходу на прогулочную галерею. Павильон этот, где поместилась коллекция японского фарфора, получил название Японского.
В эти годы завершилось архитектурное оформление пространства к югу от дворца. В 1753 году началось сооружение восточного флигеля, симметричного западному. По его завершении оба флигеля, расположенные перпендикулярно к центральному корпусу, были объединены оградой, образовав замкнутое пространство парадного двора. В духе барочной куртуазности западный флигель, примыкавший к «мужской» части, был предназначен для фрейлин, а восточный, примыкавший к «женской» части, — для кавалеров. В нем помимо комнат придворных устроили квартиру управляющего ораниенбаумской домовой конторы С. Карновича. Несколько лет спустя здесь пристроили кухню. Южный фасад с обоими флигелями смотрел на декоративный Утиный пруд, за которым виднелись деревья бескрайнего леса…
Продолжались строительные работы и на территории, входившей в дворцовый комплекс. На месте обветшавшей оранжереи с восточной стороны Нижнего сада было сооружено новое оранжерейное здание уже в 1747–1748 годах. Вскоре, в 1752–1755 годах, симметрично ему в западной части сада вырос Оперный, или Картинный, дом — к рассказу о нем мы еще вернемся. Тогда же, в 1755 году, начались работы по расчистке морского канала. Его было решено «возобновить, как прежде было, со углублением». Решение имело, несомненно, принципиальный характер. Оно подчеркивало органичную связь канала с общим архитектурным замыслом. Объединяющим звеном являлась дворцовая пристань, а также технические сооружения и службы, обеспечивавшие движение по каналу: подъемные мосты в средней части канала, над протоками бассейнов, служивших местом стоянки небольших судов и шлюпок; здания обслуживающего и караульного персонала и многое другое. Внимание к каналу как части дворцового комплекса вполне понятно. Он был естественным, а в ту пору, пожалуй, и единственным путем сообщения Ораниенбаума с Кронштадтом.
Перестройка Большого дворца затронула не только внешний вид ансамбля, придав ему логическую завершенность. В еще большей мере преобразования коснулись внутренней отделки помещений. Растрелли широко и с большой фантазией применил при оформлении интерьеров золоченую резьбу и художественную лепку в сочетании с использованием тканей, живописи, пластики. И нет сомнений в том, что, поднимаясь из вестибюля («передних сеней») по деревянной двухмаршевой лестнице на второй этаж, Петр Федорович мог с удовлетворением отмечать, как год за годом его дворец обретает вид, достойный резиденции будущего (тогда он был еще великим князем) российского самодержца.