После смерти в 1849 году Михаила Павловича, так как у него не было сыновей, поместье перешло в собственность второго сына императора Николая I великого князя Константина Николаевича. Будучи не только замечательным государственным деятелем, но и тонким знатоком музыки и живописи, новый владелец устроил в Большом дворце в 1872 году картинную галерею, где разместил перешедшие к нему по наследству и купленные в заграничных путешествиях живописные полотна Дж. Робусти Тинторетто и Андреа дель Сарто, Анжелики Кауфман и Саломона ван Ресдаля, В. ван дер Вельде и Гвидо Рени, Антонио Корреджо и Бартоломе-Эстебана Мурильо, Рембрандта ван Рейна и Паоло Веронезе, Джованни Сассоферато и Аннибале Каррачи, Элизабет Виже-Лебрен и Карло Дольчи, Помпео Батони и Гюбера Робера – всего шестьдесят семь картин. Одновременно три зала хозяин отвел под музей древних произведений искусства, где выставил 225 бюстов римских императоров и множество старинных статуэток, ваз, мраморных плит с надписями.
Ожили парк и оранжереи, в которых вновь трудились не покладая рук опытные садовники во главе с известным всему ботаническому миру Катцером. Были отремонтированы Розовый и Краснодолинный павильоны, Пиль-башня, Вольер, Молочная ферма. Бережно подновили первые постройки – охотничьи домики Крик и Крак, Старый Шале. Деревянный двухэтажный Константиновский дворец, некогда принадлежавший великому князю Константину Павловичу и долгое время пустовавший, перестроили и сдали внаем служащим при великокняжеском дворе.
При Константине Николаевиче в парке установили несколько памятников: первому владельцу Павловска Павлу I, цесаревичу Николаю Александровичу, великому князю Вячеславу Константиновичу и германскому императору Вильгельму I.
Знаменитый венский композитор И. Штраус, управлявший в 1856–1864 годах Павловским оркестром, написал здесь вальс «Воспоминания о Павловском парке» и польку «Из Павловского леса».
К началу 1870-х годов кроме великокняжеского хозяйства в Павловске имелось более трехсот дач и число его жителей в летнее время достигало десяти тысяч человек. Город рос, росло и внимание Константина Николаевича к удовлетворению нужд местных жителей. Вместо уничтоженной пожаром 1876 года лютеранской церкви он заложил ее новое здание, основал Учительскую семинарию, построил Магнитную и метеорологическую обсерваторию.
После смерти Константина Николаевича хозяином поместья стал Константин Константинович. Он не стал вносить никаких новшеств в полюбившийся местным жителям и петербуржцам Павловский парк, лишь подновлял в нем обветшалые постройки, поддерживал чистоту и порядок да установил в 1914 году памятник императрице Марии Федоровне.
Среди множества семейных торжеств, произошедших в Павловске, следует выделить серебряную свадьбу Константина Константиновича с Елизаветой Маврикиевной в 1909 году, и две свадьбы их детей в 1911 году: 21 августа – князя Иоанна Константиновича с княжной Еленой Петровной, урожденной принцессой Сербской, и 24 августа – княжны Татьяны Константиновны с князем Багратионом-Мухранским.
Многие свои стихи Константин Константинович написал в любимом Павловске, многие мысли были навеяны здешними пейзажами.
В Павловск великого князя всегда тянуло, эта обитель тишины, красот природы и искусства воскрешала память о прошлом, здесь веяло духом старинного самодержавия и покоя.