После почти трехлетнего отсутствия двор возвратился из Москвы в Санкт-Петербург, и вступившая в 1730 году на престол Анна Ивановна распорядилась возобновить строительные и реставрационные работы в Ораниенбауме — как в Большом дворце, так и на канале. Осуществить их было поручено архитекторам М. Земцову, П. Еропкину, И. Мордвинову со товарищи. Тем не менее судьба дворца оказалась неопределенной. В 1737 году у него появился новый хозяин — Адмиралтейская коллегия. Перед архитекторами Еропкиным и Земцовым поставили новую задачу — приспособить дворец под морской госпиталь. Работы велись до 1740 года, когда в Петербурге произошли очередные перемены: умерла императрица Анна Ивановна, ее преемником был объявлен Иван Антонович, в следующем году свергнутый Елизаветой Петровной. И вот теперь, в 1743 году, у дворца появился очередной хозяин — наследник престола. А после его вступления в брак с Екатериной Ораниенбаум, естественно, превратился в летнее местопребывание «молодого», или «малого», двора. Именно этот сравнительно непродолжительный период оказался временем бурного расцвета резиденции. И хотя архитектурные замыслы и их воплощение осуществлялись с одобрения и при финансовой поддержке Елизаветы Петровны, они ярко отразили художественные вкусы и пристрастия заказчика — Петра Федоровича.
С 1746 года и до начала следующего десятилетия работы проводились по проектам и под общим руководством великого Франческо Бартоломео Растрелли (1700–1771), мастера русского барокко, автора таких шедевров, как Смольный монастырь и Зимний дворец в столице, Петергофский и Царскосельский дворцы в ее пригородах. По-видимому, основным исполнителем замыслов Растрелли в Ораниенбауме являлся каменных дел мастер Мартин Людвиг Гофман. К середине 1750-х годов имя Растрелли в документах по строительству Ораниенбаумского дворца постепенно исчезает — оно заменяется с 1756 года именем Антонио Ринальди (ок. 1710–1794), итальянского архитектора, прибывшего в Россию в 1751 году. Теперь он стал архитектором «малого» двора.
Начавшиеся с 1746 года архитектурно-строительные работы прежде всего коснулись Большого, бывшего меншиковского, дворца, исходный пространственно-художественный замысел которого Растрелли бережно сохранил. Он принял также во внимание идеи, намеченные, но не осуществленные его предшественниками в 1730-е годы. Была реконструирована парадная лестница. Примечательно, что при этом использовали бук, специально доставленный из Гольштейна, а на стенах второго этажа поместили вензеля Петра Федоровича, выполненные латинскими буквами, — «P. F.». Лестница, по которой посетители входили во дворец, превращалась в символическую реплику пути, совершенного хозяином из Гольштейна в Россию.
Сложившееся еще во времена первого владельца Большого дворца, Меншикова, деление на две половины — «мужскую» (западную) и «женскую» (восточную) — сохранилось. В 1748–1750 годах были пристроены задуманные еще раньше так называемые «приделочные» комнаты, позволившие расширить внутреннее пространство дворца. Поверх дугообразных крыльев возникли прогулочные галереи, обрамленные изящной балюстрадой. В западном павильоне, где находилась придворная Пантелеймоновская церковь, был установлен резной алтарь работы москвича И. П. Зарудного. Восточный павильон в 1754–1755 годах был разделен на два этажа — там устроили Эрмитаж с большим обеденным столом. Каждое место было снабжено подъемным устройством, с помощью которого снизу подавались блюда с едой. Специальная лестница вела к выходу на прогулочную галерею. Павильон этот, где поместилась коллекция японского фарфора, получил название Японского.
В эти годы завершилось архитектурное оформление пространства к югу от дворца. В 1753 году началось сооружение восточного флигеля, симметричного западному. По его завершении оба флигеля, расположенные перпендикулярно к центральному корпусу, были объединены оградой, образовав замкнутое пространство парадного двора. В духе барочной куртуазности западный флигель, примыкавший к «мужской» части, был предназначен для фрейлин, а восточный, примыкавший к «женской» части, — для кавалеров. В нем помимо комнат придворных устроили квартиру управляющего ораниенбаумской домовой конторы С. Карновича. Несколько лет спустя здесь пристроили кухню. Южный фасад с обоими флигелями смотрел на декоративный Утиный пруд, за которым виднелись деревья бескрайнего леса…