Создание ансамбля Ходынского поля ускорило развитие романтического направления в зодчестве XVIII столетия. Вслед за этим ансамблем в характере романтической архитектуры, с обращением к национальному наследию М. Ф. Казаков строит загородный Петровский подъездной дворец (ныне здание Военно-воздушной академии имени Н. Е. Жуковского), а Баженов приступает к проектированию подмосковной дворцовой усадьбы Царицыно. Десять долгих лет — с 1776 до 1786 г. — вдохновенного и напряженного труда были отданы Баженовым созданию своеобразного, сказочного по красоте ансамбля Царицына. Он создавался, как тогда говорили, в формах «готической» архитектуры, т. е. с обращением к наследию древнерусской архитектуры, в отличие от «греческой» или «новейшей» архитектуры, как называли в XVIII веке ордерные композиции классицизма.
Усадьбу нужно было построить на месте имения князя Кантемира "Черная грязь", расположенного на пересеченном оврагами и ручьями участке, круто обрывающемся к прудам и водоемам. Баженов со свойственной ему тщательностью проводит подготовительные работы: снимает план местности, набрасывает эскизы планов и фасадов будущих строений. В 1776 г. проект был готов, и тогда же приступили к его осуществлению.
При проектировании Царицына Баженов отказался от обычной для дворцово-усадебных построек XVIII века схемы со строго симметричным расположением главного здания, флигелей и парадным двором перед ними. Он использовал «живописный» характер композиции, при которой ансамбль был задуман из отдельно стоящих небольших дворцов и кавалерских корпусов. Два тождественно решенных дворца — для Екатерины II и наследника Павла, — одинаковых по планировке и обработке фасадов, располагались на одной, перпендикулярной к пруду оси. На этой же оси была запроектирована между дворцами оранжерея, которую в процессе строительства заменили дворцом для детей Павла и соединили переходами с двумя главными дворцами. Дворцы и большой кавалерский корпус составляли центр композиции. Позади соединенной с дворцами галереи с ажурной аркой ворот находился Хлебный дом, намечались высокая башня с часами и Конный двор.
Вдоль пруда по "березовой перспективе" шли разнообразные по планировке и объемному решению сооружения: кавалерские корпуса, малые «эрмитажи», мост через овраг, «фигурный» мост, перекинутый через дорогу со стороны Коломенского, «малый», или «полуциркульный», дворец с вензелем Екатерины, "Дальний дворец, что у сада", позже получивший название Оперного дома, и на повороте парковой аллеи — «фигурные» или «виноградные» ворота. Все намеченные по проекту здания, за исключением башни для часов и конного двора, были подведены под крышу и остеклены.
Баженов добился в ансамбле Царицына предельной выразительности архитектуры. «Живописность» была достигнута благодаря гармоничному сочетанию с ландшафтом, умелой расстановке павильонов. Чередование зданий, открытых для обозрения со всех сторон, разнообразных по плановым и объемным решениям, создавало полные неожиданных эффектов перспективы. Вместе с тем ансамбль Царицына воспринимался как художественное целое.
Следование традициям русской архитектуры сказалось в Царицыне в расположении построек на высоких прибрежных холмах, в обращении главного фасада ансамбля к прудам, к основной дороге парадного подъезда от Москвы, в сочетании естественного цвета строительного камня — неоштукатуренного кирпича — с белым камнем декоративных деталей. Полы Баженов предполагал выложить «по-русски» — лещадными плитками, стены расписать фресками. Здания завершались не дошедшими до наших дней сквозными парапетами, смотровыми башенками и бельведерами; кровля их имела различные очертания и была покрыта желтой поливной черепицей.
В разнообразных формах сооружений, в их народной фантазии, в их гармонии. угадывался прообраз Царицына — Коломенский дворец Алексея Михайловича середины XVII века. Баженов прекрасно знал его: он обмерял его перед разборкой, а венцы вековых лип, из которых он был сложен, пошли на сооружение модели Кремлевского дворца.
Баженов придавал огромное значение сочетанию ансамбля с окружающей средой — рельефом, водой, зеленью, тенистые липовые аллеи парка со стрельчатыми сводами напоминали своды построек Царицына; от березовой дорожки, идущей по кромке "обрезной горы", как она называлась, раскрывался вид на пруды, просторные дали полей и лесов. О связи природы с «нежной», как называл Баженов, архитектурой Царицына зодчий писал: "Березки молодые, кои по полуциркульной обрезной горе… бывали подстрижены; а ныне без оного; побеги в три лета дали близ оглобли толстотою… чем строения красоту свою с противного берега, много теряют, то не поведено ль будет: их хотя и не стричь, но мелкие в них отростки вырезывать, дабы дать им способ расти хотя в дикости, но порядочней, а редкость скрозь их, пестротою кирпича, с белым камнем меж зелени, в глазах, играла б приятностью больше" (ЦГАДА, ф. Госархив, р. XIV, д. 51, ч. V, л. 368).