La institución del Palacio de Invierno data de la primera década de la existencia de San Petersburgo, cuando se construyó la primera Casa de Invierno para Pedro I en 1711. Con el traslado de la capital de Moscú en 1712, la residencia de invierno del emperador tsarem adquirió el estatus de un importante edificio estatal. El siguiente Palacio de Invierno fue construido en el terraplén del río Neva en 1716-1719 según un plan de Georg Mattarnovi y fue ampliado en la década de 1720 por Domenico Trezzini. En 1732 Bartolomeo Francesco Rastrelli comenzó a trabajar al mando de la emperatriz Anna en una tercera versión del Palacio de Invierno, que estuvo en construcción durante gran parte de la década de 1730.
La planificación de un nuevo Palacio de Invierno para la emperatriz Isabel comenzó a principios de la década de 1750 bajo la dirección de Rastrelli, quien tenía la intención de incorporar el tercer Palacio de Invierno existente en el diseño de una estructura aún más grande. Sin embargo, a medida que avanzaban las obras en 1754, concluyó que el nuevo palacio no requeriría simplemente una expansión del antiguo, sino que tendría que construirse sobre sus cimientos. La construcción continuó durante todo el año a pesar de los severos inviernos, y la emperatriz, que vio el palacio como una cuestión de prestigio estatal durante la Guerra de los Siete Años (1756-1763), continuó emitiendo órdenes para su rápida terminación. Los 859,555 rublos asignados originalmente para la construcción del Palacio de Invierno se sacarían, en un esquema ideado por el cortesano Pyotr Shuvalov, de los ingresos de las tabernas con licencia estatal. (La mayoría del ejército de trabajadores de Rastrelli ganaba un salario mensual de un rublo.) Los sobrecostos eran crónicos y el trabajo se detenía ocasionalmente por falta de materiales y dinero en un momento en que los recursos de Rusia estaban al límite por la Guerra de los Siete Años. En última instancia, el proyecto costó unos 2,500,000 rublos, extraídos de los impuestos sobre el alcohol y la sal que se imponen a una población ya agobiada. Isabel no vivió para ver la finalización del palacio: murió el 25 de diciembre de 1761. Las principales salas estatales y los apartamentos imperiales estaban listos al año siguiente para el zar Pedro III y su esposa Catalina.
La planta básica del Palacio de Invierno consiste en un cuadrilátero con un patio interior decorado de manera similar a los muros exteriores. Las fachadas exteriores del nuevo palacio imperial, tres de las cuales están orientadas hacia espacios públicos, fueron decoradas en estilo barroco tardío. En la fachada del río Neva, el palacio presenta, desde la distancia, un recorrido horizontal ininterrumpido de más de 200 metros, mientras que la fachada opuesta (en la Plaza del Palacio) está marcada en el centro por los tres arcos de la entrada del patio principal, inmortalizado por el el director de cine Sergei Eisenstein, así como por artistas que retrataron, de forma exagerada, el "asalto al Palacio de Invierno". La fachada que da al Almirantazgo es el único área de la estructura que contiene elementos sustanciales del tercer Palacio de Invierno.
Una estricta simetría reina sobre las fachadas. Doscientas cincuenta columnas segmentan unas setecientas ventanas, sin incluir las del patio interior. El palacio tiene tres plantas principales situadas sobre un sótano, y la estructura culmina en una elaborada cornisa que sostiene 176 grandes jarrones ornamentales y estatuas alegóricas. La estatuaria de piedra original, corroída por el duro clima de Petersburgo, fue reemplazada en la década de 1890 por figuras de cobre. El color arena que Rastrelli pretendía para la fachada de estuco se ha desvanecido bajo una serie de pinturas que van desde el rojo mate (aplicado a finales del siglo XIX) al turquesa a principios del siglo XXI.
El interior del Palacio de Invierno, con sus más de setecientas habitaciones, ha sufrido muchos cambios, y poco de la decoración rococó de Rastrelli ha sobrevivido. El trabajo en el interior continuó durante varias décadas, ya que las habitaciones se cambiaron y
reacondicionado para satisfacer los gustos de Catalina la Grande y sus sucesores. Aún más dañino fue el incendio del palacio de 1837 que ardió sin control durante más de dos días y destruyó el interior. Durante la reconstrucción, la mayoría de las habitaciones fueron decoradas en estilos eclécticos de mediados del siglo XIX o restauradas al estilo neoclásico utilizado por los sucesores de Rastrelli en la decoración del palacio, como Giacomo Quarenghi. Vasily Stasov restauró solo la escalera principal, o Jordan, y el pasillo que conduce a ella (la Galería Rastrelli) de una manera cercana al diseño original de Rastrelli. Sin embargo, el Palacio de Invierno permanece asociado sobre todo con el nombre de Rastrelli, el creador de esta obra maestra barroca.
En 1918, el Palacio de Invierno y su colección de arte fueron nacionalizados, y en 1922 la mayor parte del edificio pasó a formar parte del Museo Estatal del Hermitage. Los importantes trabajos de restauración se vieron interrumpidos por el estallido de la guerra, durante la cual el personal del museo actuó heroicamente. El Museo Estatal del Hermitage reabrió sus puertas en 1945 y, desde entonces, el antiguo Palacio de Invierno se ha convertido en objeto de escrupulosos esfuerzos de conservación dedicados a uno de los mayores museos del mundo.