В наружном облике Зимнего дворца, создававшегося, как гласил указ о его строительстве, «для единой славы всероссийской», в его нарядном, праздничном виде, в ясности и простоте архитектурных масс, раскрывается художественно-композиционный замысел зодчего — глубокая архитектурная связь этого здания с городом, Невой, со всем характером окружающего городского пейзажа. «Раскрытая» композиция Зимнего дворца является своеобразной русской переработкой типа замкнутого дворцового здания с внутренним двором, распространённого в архитектуре Западной Европы, в духе передовых идей русской культуры середины XVIII века и национальных архитектурных традиций.
Здание Зимнего дворца сыграло видную роль в дальнейшем формировании центрального ансамбля столицы.
Ещё в 1711 году на берегу Зимней канавки для Петра I был сооружён Зимний дом, считающийся первым Зимним дворцом. Нынешнее трёхэтажное здание Зимнего дворца, пятое по счёту, построено в 1754–1762 годах архитектором В. В. Растрелли в стиле русского барокко, в виде замкнутого четырёхугольника. Четыре угловые части, в которых размещались главные помещения (Тронный зал, театр, парадная лестница и храм), соединяются корпусами-галереями (с анфиладой парадных залов на втором этаже), образуя в центре двор крестообразной формы.
Фасады здания состоят из двух поясов (нижнего и верхнего). На нижнем — цокольный и первый этаж объединяют колонны ионического ордера. Над ними два верхних этажа с ярусами колонн более пышного композитного ордера. Колонны собраны пучками на углах, далее распределяются то равномерно, то группами. На балюстраде крыши — декоративные вазы и статуи. В 1892–1894 годах обветшавшие 27 скульптур из пудостского камня заменены пустотелыми из штампованной меди по моделям М. П. Попова.
Наличники окон (около 2 тыс.) украшены разнообразными львиными масками, головами ангелов, завитками.
Каждый из фасадов архитектурно своеобразен. Так, Невский с протяжённой двухъярусной колоннадой, сильно расчленённой, южный (перед Дворцовой площадью) с центральным, на высоте первого яруса, трёхарочным въездом во двор, западный и восточный — с выступающими боковыми частями здания. Выделяются своей красочной живописностью зелёный фон стен, белые колонны и наличники, тёмно-жёлтые капители и лепнина, чёрные статуи. Фасады обращены к Неве, Адмиралтейству и Дворцовой площади.
Главный, Иорданский, подъезд находится со стороны Невы. Через него в праздник Крещения члены императорской семьи и духовенство выходили для водосвятия к Неве (отсюда название — иордань). Со стороны Адмиралтейства — подъезд его величества. Он выходит на Разводную площадь между Зимним дворцом и Главным Адмиралтейством. На ней происходили разводы караулов и смотры войск. На Дворцовую площадь выходил подъезд её величества, который вёл в покои императрицы. Кстати, через этот подъезд в Зимний ворвались в октябре 1917 года восставшие солдаты и матросы.
В здании более тысячи помещений. Мраморные марши Главной (Иорданской) лестницы, раздваиваясь, ведут на второй этаж — к главной, северной анфиладе парадных залов (перестроены в классическом стиле в 1780–90 гг. архитекторами Дж. Кваренги и И. Е. Старовым). Плафон парадной лестницы работы художника Ф. Фонтенбассо.
В южном направлении от парадной лестницы протянулась другая цепь парадных залов — Большая анфилада. К ней с юго-востока примыкает Большая церковь с нарядным золочёным декором и плафоном работы Фонтенбассо. Её стены украшает позолоченный лепной растительный орнамент.
После отстранения Екатериной II (1762 г.) Растрелли от отделочных работ их осуществляли в стиле классицизма архитекторы Ю. М. Фельтен, Ж. Б. Валлен-Деламот и А. Ринальди. Сильный пожар 1837 года уничтожил внутреннюю отделку. Архитекторам В. П. Стасову и А. П. Брюллову удалось восстановить её лишь частично за два года — 1838–1839 годы.
В новом корпусе, пристроенном к восточному фасаду дворца, соединившем Зимний дворец с Малым Эрмитажем, в 1841 году Стасовым был восстановлен Георгиевский (Большой тронный) зал (первоначально открыт в 1795 г. в день Св. Георгия; архитектор Дж. Кваренги) площадью 800 кв. м. Он предназначался для торжественных приёмов. В его торцовой части на мраморном ступенчатом основании был установлен трон (1714 г., английский мастер Клаузен; был перенесён в Петровский зал). В оформлении зала широко использованы разноцветный мрамор, золочёная бронза. На колоннаду коринфского ордера из белого итальянского каррарского мрамора по всему периметру зала опираются лёгкие хоры. Наборный пол выполнен из 16 пород дерева.