Работами руководил архитектор Доменико Трезини, а их завершение связано с деятельностью военного инженера, генерал-полицмейстера Санкт-Петербурга Христофора Антоновича Миниха. По его проектам в 1730–1733 годах были заложены каменные равелины, получившие названия Иоанновский и Алексеевский, по именам брата и отца Петра.

В 1731 году на Нарышкином бастионе была построена Флажная башня, на которой поднимали флаг (гюйс). Этот бастион перестраивали в камень как парадный, потому именно здесь башня и появилась. А изначально флаг поднимался на Государевом бастионе, так как тот был перестроен первым. Флаг поднимался с утренней зарёй, опускался с вечерним закатом. В советское время эту традицию выполнять не стали, в 1990-е годы возродили. Пытались, как и прежде, флаг поднимать и опускать, но впоследствии решили держать его на мачте постоянно. Именно с Нарышкина бастиона каждый день в 12 часов раздаётся пушечный выстрел. В XVIII веке далеко не все горожане имели свои часы, и время они сверяли по солнцу и колокольному звону. Время это было приблизительным, и только ровно в 12 часов с Нарышкина бастиона был слышен выстрел пушки. Постоянно стали производить выстрел в 1873 году. В городе с тех пор появилась поговорка «точно, как из пушки». В 1934 году выстрелы прекратили, возродили традицию в 1957 году.

Для снабжения защитников крепости водой на случай осады, а также для подвоза строительных материалов во всю длину Заячьего острова был прорыт канал пятиметровой ширины, засыпанный в 1882 году.

Постепенно начал формироваться архитектурный ансамбль крепости. Первые сооружения внутри крепости, естественно, носили военный характер: были построены дома для коменданта и для инженерной команды крепости. Позже Инженерный и Комендантский дома были перестроены, при этом были возведены здание офицерской гауптвахты, в начале XIX века построен артиллерийский цейхгауз, плац-майорский и обер-офицерский дома, в начале XX века – штаб-офицерский флигель.

В 1779–1785 годах северную часть крепости облицовывают гранитом. К этому времени левый берег Невы здесь уже был одет в гранит. По легенде, Екатерина II, выглянув однажды в окно Зимнего дворца возмутилась «простецким видом» крепостных стен и тут же распорядилась привести их в соответствующий вид. Пожелание её, конечно же, выполнили, однако всё, что не видно из кабинетов Зимнего дворца, так и осталось красного цвета.

По проекту Львова в 1784–1787 годах в камень перестраивают Невские ворота, чуть позже – пристань. С середины XIX века здесь стоял катер коменданта крепости, пристань стали называть Комендантской. Под аркой Невских ворот оформлена «Летопись катастрофических наводнений». В ней отмечены наивысшие подъёмы воды в 1752, 1777, 1788, 1824, 1924 и 1975 годах.

У восточной стены Петропавловского собора находится Комендантское клабище. С 1720 по 1914 год здесь похоронили восемнадцать комендантов Петропавловской крепости.

С первых лет существования крепость получила известность как главная политическая тюрьма России. Первые заключенные появились здесь в первой четверти XVIII века. Среди первых узников был царевич Алексей, сын Петра I.

На площади перед Петропавловским собором находится специальный павильон – «Ботный дом», предназначенный для хранения небольшого судна – ботика, на котором Петр I в юности изучал навигационное дело.

Ворота, открывающие крепость с запада, называются Петровские. Петровские ворота – особые ворота для Петербурга. Это главные, парадные, ворота города, его визитная карточка; ворота, открывающие вход в самое сердце. В 1718 году деревянные ворота заменяются каменными. Сюжет барельефа содержит аллегорию на Швецию и Россию. Укреплённый на воротах двуглавый орёл весит чуть более тонны, изготовлен из свинца. В нишах ворот – статуи богинь мудрости и войны.

Единственным зданием Петропавловской крепости, не имевшим отношения к военным укреплениям и портовым постройкам, был Монетный двор.