В отделке Петровского зала принимал участие скульптор П. Катоцци, исполнивший мраморный барельеф под портретом Петра I, и живописец Б. Медичи, который расписал свод и нарисовал картины с сюжетами из жизни Петра Великого, расположив их под сводами.
После пожара зодчий В.П. Стасов лишь немного изменил характер обработки стен Петровского зала, введя вместо одиночных пилястр парные. Современники, сравнивая облик Петровского зала после восстановления его в 1838 году с прежним видом, отмечали, что «он много выиграл в отношении легкости и величия». И действительно, В.П. Стасов много сделал для улучшения художественных достоинств интерьера Петровского зала. В частности, прежде имитированные под порфир колонны великолепного обрамления портрета Петра I были заменены колоннами из натуральной серой яшмы.
Была заменена и прежняя обивка стен новой — из лионского бархата. Эту обивку исполнили во Франции на лионской фабрике Ле-Мира. Новые панно тоже были украшены гербами Российской империи — двуглавыми орлами, причем в центре каждого панно помещался герб большего размера. На четырех углах расположились медальоны с вензелем Петра I, и каждое панно окаймлено бордюром из лавровых листьев. Как гербы, так и бордюры с вензелями выполнены вручную — шитьем серебряными, а местами и позолоченными нитками.
Художник Б. Медичи не только восстановил прежнюю живопись, но, помимо орнамента в центре продольных стен зала и под сводами, были написаны картины, изображающие Петра I во время баталий под Полтавой и Лесной.
Главную роль в композиции Петровского зала играет апсида, отделенная от прямоугольной части зала аркой, покоящейся на четырех колоннах и четырех пилястрах. В глубине апсиды находится портал, в центре которого на фоне красного бархата, вышитого лавровыми ветвями, помещена картина, изображающая Петра I с римской богиней войны и мудрости Минервой. Картина эта была написана в 1730 году в Лондоне венецианским художником Амикони по заказу русского посланника при английском дворе А. Кантемира, поэта и сатирика. На картине Минерва, на фоне моря и кораблей, ведет за руку Петра Великого, над головой которого поддерживаюткорону парящие гении.
Длительное время Зимний дворец был резиденцией российских императоров, но после убийства террористами Александра II император Александр III перенес свою резиденцию в Гатчину. В Зимнем дворце стали проводиться лишь особо торжественные церемонии, только в 1894 году, когда на престол вступил Николай II, императорская фамилия вернулась в Зимний дворец. В связи с этим бывшие покои императора Николая I были заново отделаны — уже в стиле модерн.
В феврале 1917 года Временное правительство, несмотря на протесты деятелей культуры, разместило в Зимнем дворце министерские и правительственные учреждения. Так, министерства Временного правительства заседали в Малахитовом зале, а в бывших покоях императора Александра III восседал А.Ф. Керенский.
Чтобы успокоить деятелей культуры, Временное правительство решило из Петербурга ценное дворцовое имущество эвакуировать в Москву. Но несмотря на то, что часть ценностей и была вывезена, Зимний дворец по существу был превращен в казарму.
Гарнизон Зимнего дворца, первоначально состоявший из 900-1000 человек, к началу Февральской революции увеличился до 2000 человек. Кроме того, на защиту Временного правительства были переброшены две роты женского батальона: сам А.Ф. Керенский имел очень большой личный караул и менял его весьма часто. Его караул размещался в парадных залах Зимнего дворца, где казаки и юнкера портили картины, пачкали обивку стен и заливали чернилами мебель.
В ночь с 25 на 26 октября захваченный красногвардейцами, солдатами и матросами Зимний дворец в течение трех дней находился в руках хулиганствующей толпы, которая испортила и обезобразила значительную часть его внутреннего убранства.
В «Военной галерее 1812 года» Зимнего дворца, созданной К. Росси, запечатлен подвиг русского народа в разгроме Наполеона. В мире существуют две портретные галереи, посвященные разгрому Наполеону: вторая в Виндзорском замке, где в «Зале памяти битвы при Ватерлоо» выставлены портреты, написанные Т. Лоуренсом.
Выставленные в «Военной галерее 1812 года» Зимнего дворца портреты не только украшают стены, но и являются органическими составными частями интерьера, как цельного архитектурно-художественного произведения. Художник Д. Доу приступил к работе над портретами в 1819 году, а к 1826 году большая часть портретов была уже готова, и К. Росси приступил к созданию портретной галереи.