В конце лета 1705 г. Трезини прибыл в Петербург и прежде всего озаботился строительством собственного жилья. Оно появилось вскоре в виде деревянного дома на левом берегу реки Мойки, на участке нынешнего дома 12, напротив Греческой слободы, жители которой избрали его своим старостой. Дом без хозяйки показался Трезини неуютным, а так как его швейцарская жена в Петербурге так и не появилась, то в 1708 г. он привел в дом жену новую (но не последнюю). Дом использовался не только как жилье, но и как учебное заведение, где Трезини обучал архитектурному искусству своих русских учеников, ставших его верными помощниками. Одним из таких учеников стал Михаил Григорьевич Земцов.
В Петербурге Трезини возглавил Канцелярию городовых дел, которая первоначально была создана для надзора за строительством Петропавловской крепости, а затем и за строительством всего города. Строительство Петропавловской крепости стало главной заботой нового главы Канцелярии. Первоначально, с момента закладки крепости, работами в ней руководил инженер Иоганн Кирхенштейн, который скончался, проработав здесь чуть более двух лет, от тягот местных жизненных условий. Трезини начал с перестройки земляной крепости в каменную. Помимо укреплений строились также Петровские ворота, казармы, погреба и прочие объекты, а с 1712 г. началось сооружение каменного крепостного собора. Работами по сооружению крепости Трезини руководил до 1733 г.
Петропавловская крепость – не единственная забота Трезини, в 1710 г. он заложил каменный Зимний дворец царя Петра на месте нынешнего Эрмитажного театра. Почти одновременно с этим он вел строительство Летнего дворца в «царском огороде».
Активное каменное строительство в Петербурге привело к дефициту кирпича, направлявшегося в первую очередь на строительство Адмиралтейства, которое было не только верфью, но и крепостью, Петропавловской крепости и острова Котлин. В связи с этим Трезини поручили разработать проекты типовых гражданских зданий, возводимых фахверковым способом. Суть способа заключалась в следующем: изготавливали деревянный каркас здания, стены которого обмазывали глиной, которая при высыхании обеспечивала гидроизоляцию помещений. При этом внешне здание выглядело как каменное. Способ оказался далеко не идеальным, ибо не обеспечивал ни прочностных, ни теплоизоляционных эксплуатационных свойств зданий, зато давал возможность строить быстро и без больших капитальных затрат. В 1712 г. Трезини построил этим методом дома члену коллегии кардиналов «Всепьянейшего собора» Андрею Матвеевичу Апраксину (Бесящему) и его сестре царице Марфе Матвеевне (вдове царя Федора Алексеевича). Массовое строительство мазанковых зданий началось с 1714 г. на Троицкой площади Городового острова, где возвели таким методом здания Коллегий и Сената. Затем этот опыт распространили на другие объекты города.
В 1712 г. Трезини создал проект каменного двухэтажного дома на берегу Невы для генерал-адмирала графа Федора Матвеевича Апраксина, выполнил макет Александро-Невского монастыря. Впоследствии он создал проекты застройки городских районов – Васильевского острова с расположением Галерной гавани и зданием Двенадцати коллегий; Партикулярной верфи на берегу реки Фонтанки; части Московской стороны с современными улицами Кирочной, Фурштатской, Чайковской, Захарьевской, Шпалерной.
Размах деятельности Трезини поражает своей многофункциональностью и разносторонностью. У него в работе одновременно находилось большое количество объектов. Так, например, в своем журнале под названием «Описание работ, где, что надлежит по указу делать и у тех работ кто мастеры и надзиратели и какими людьми та работа управляется», заполненном в 1721 г., он записал:
«В больверк царского величества фазы и фланки поднять до верха, також и стены каземат поднять до верха. В церкви Петра и Павла столпы и своды делать, также и кровлю на нее. Подъемный мост новый при фортификации. На ворота городские орел свинцовый отлит и вычищен. Госпиталь на Выборгской стороне разобрать. На том фундаменте, где стояли решетки, сделать госпиталь каменный. Пороховой погреб на острову каменный. Около хором старых царского величества на Городском острову сделать сарай кровлею».