В декабре 1837 года от пустой случайности загорелся Зимний дворец. Трое суток длился пожар, внутренние помещения дворца выгорели почти полностью. Иностранные газеты писали тогда, что на восстановление понадобится не менее четверти века. Однако уже через пятнадцать месяцев интерьеры были восстановлены. Правда, цена такой стремительности была дорогой — тысячи крепостных строителей, согнанных со всех концов империи, гибли бессчетно от недоедания и недосыпания. В числе трех главных архитекторов, назначенных руководить восстановительными работами, был и Александр Брюллов. Вот тогда-то у Карла и возникла идея предложить свои услуги по росписи восстановленных интерьеров. Жуковский, зараженный его грандиозной мыслью украсить стены дворца фресками на темы из русской истории, пытался уговорить царя, соблазняя его тем, что Зимний можно будет по убранству «уподобить Ватикану». Все было напрасно. Интерьеры были решены с невероятной пышностью и столь милой сердцу царя пестротою стилистических приемов: одни покои — «в готическом стиле», другие «в мавританском», третьи «в помпейском». Сорвалась, по воле царя, и другая возможность. В 1839 году была закончена строительством Пулковская обсерватория, тоже по проекту брата Александра. Видимо, он и предложил Карлу роспись купола. Еще не имея официального заказа, Брюллов горячо берется за дело. Изучает серьезнейшим образом астрономию, ходит на лекции Куторги в университет, делает множество эскизов. Однако и на эту работу не было дано высочайшего разрешения.
С тем большим воодушевлением начинает Брюллов работу над эскизами для Исаакиевского собора. Композитор Серов писал в письме к Стасову, что некоторые картины Брюллов переделывал до сорока раз. Приходилось вносить изменения и не по собственному разумению, а по указанию самых различных инстанций. Кто только не вмешивался в работу художников! Религиозная живопись находилась под бдительным оком и церкви, и цензуры, и царя. В постановлении от 6 сентября 1846 года в журнале академического Совета записано: «Определено: г-ну профессору Брюллову и академикам Риссу, Майкову и Плюшару, чтобы они картоны свои исправили по замечаниям св. Синода». Против указаний синода не возразишь — приходилось переделывать готовые работы. Затем являлся царь со свитою. Как рассказывает писательница Е. Ган, царю однажды привиделись в одном из образов Брюллова черты генерала Клейнмихеля. Он пришел в бешенство и даже хотел засадить художника на гауптвахту. Конечно, работать в таких условиях было чрезвычайно тяжело.
Судить сегодня о том, насколько успешно справился Брюллов со стоявшей перед ним задачей, непросто — слишком немногое из писанного его собственной рукой сохранилось на стенах собора. Нельзя не согласиться с Теофилем Готье, который, внимательно изучив все росписи собора, писал об одной из купольных композиций, «Торжество Пресвятой девы»: «Эта картина, так же как и все картины в куполе, была поручена г. Брюллову, известному в Париже своей картиной Последний день Помпеи, фигурировавшей на одной из выставок. Брюллов заслуживал такой выбор; но болезненное состояние, окончившееся преждевременной смертью, не позволило ему исполнить лично эти важные работы. Он мог сделать только картоны, и как ни благоговейно следовали его мысли и указаниям, приходится пожалеть, что этим картинам… не доставало глаза, руки, гения самого их творца; он, без сомнения, сумел бы придать им все то, чего им теперь не достает: отделку, колорит, огонь, все то, что является в исполнении работы… и чего не может вложить в нее равный талант, исполняющий мысль другого». И все же сохранившиеся фрагменты, а более всего картоны, эскизы и этюды дают довольно полное представление о том, в каком направлении шли поиски Брюллова.