Сооруженный перед въездом в Москву со стороны Санкт-Петербурга, напротив Ходынского поля, на землях, ранее принадлежавших московскому Высоко-Петровскому монастырю, в местности Петровское-Зыково, дворец поэтому и называется Петровским. Это первое произведение архитектора М.Ф. Казакова в псевдоготическом стиле, представившее его интерпретацию романтического направления в архитектуре, и один из самых крупных и ярких псевдоготических ансамблей Москвы. Под непосредственным влиянием ансамбля Ходынских павильонов, сооруженных В.И. Баженовым и другими архитекторами в 1775 г. для торжественного празднования мира с Турцией, архитектор создал эффектную постройку в виде романтического средневекового замка. Явная ассоциация с подлинной «европейской» готикой формируется за счет стрельчатых окон с рустованными наличниками и «бриллиантовыми» замковыми камнями. С Петровского дворца началось триумфальное шествие псевдоготики, ставшей стилем императорских резиденций и оттуда перенесенной в дворянские усадьбы.
Дворец, сооруженный в 1775–1783 гг., расположен в основании подковообразной композиции из жилых и подсобных флигелей и других построек: кавалерских и фрейлинских корпусов, кухонного флигеля, служб, конюшен и каретных сараев. Фланкирующие сооружения разделены на отдельные объемы; к их торцам примыкают разнотипные башни, размер которых увеличивается по мере удаления от дороги.
Здание дворца делит внутреннее пространство комплекса на два двора: парадный — перед главным фасадом и внутренний — по другую сторону объема. Вдоль боковых сторон размещены проезды с каретными сараями; через их арки можно попасть в огороженные каменными оградами небольшие служебные дворы. Задний двор также окружен невысокой каменной оградой с фланкирующими башнями. Внутренний двор ограничен невысокой кирпичной стеной с двумя башнями, барабаны верхних ярусов которых увенчаны маленькими башенками-минаретами, и тремя воротами с портиками над входами, увенчанными шатровыми шпилями.
Дворец имеет симметричную «кубоватую» форму, нарушенную со стороны основных фасадов балконами. Планировка здания также центрическая: комнаты, залы и лестницы размещены вокруг осевого круглого в плане объема, отмеченного во внешнем облике барабаном с куполом. Конструкция купола представляет собой два «слоя» сегментных (циркульных) полуарок, опирающихся на кирпичный барабан и сходящихся в вершине на деревянную конструкцию, напоминающую ступицу велосипедного колеса. Верхний «слой» арок поддерживает кровлю, нижний формирует внутренний декоративный купол. Каждая арка состоит из нескольких фрагментов.
В барабане купола устроены стрельчатые окна, рассеянный свет через которые создавал эффект поразительной легкости помещения центрального Круглого зала. Вокруг него крестообразно располагаются четыре квадратных аванзала для придворных церемониалов. Купол Круглого зала, стены аванзалов и парадную лестницу украшала лепнина, в том числе гипсовые отливки с портретами московских великих князей и царей, расположенные на стенах центральных залов. Оригиналом для них послужила серия портретов, выполненная скульптором Ф.И. Шубиным для Чесменского дворца в Санкт-Петербурге. Двери второго этажа и все шестнадцать дверей нижнего Круглого зала были украшены медальонами. Все декоративные элементы, числом более тысячи, выполнил скульптор Иоганн Юст.
Впервые Екатерина II посетила дворец в 1785 г. по пути из Новгорода. Она провела во дворце четыре дня.
В 1787 г. Екатерина II во второй раз останавливалась в Петровском дворце, возвращаясь в Санкт-Петербург после путешествия в Крым. Тогда она провела во дворце десять дней.
Петровский дворец был местом, связанным с церемонией коронации и коронационными торжествами. Все императоры от Павла I, коронованного в 1797 г., до Николая II, коронованного в 1896 г., перед венчанием на царство останавливались именно в нем. Отсюда начинались торжественные въезды в Москву. Императоры ехали верхом, а царицы — в каретах. На всем пути следования в Кремль были выстроены войска, для зрителей устроены галереи, поставлены триумфальные арки. На Ходынском поле, напротив дворца, устраивались увеселения для жителей Москвы и Подмосковья с раздачей еды и подарков.
Во время коронации Николая II, прибывшего в Москву по железной дороге на Брянский, ныне Белорусский, вокзал, утром 18 мая 1896 г. на Ходынском поле в ходе раздачи подарков — кружек, платков и пряников — произошла давка, в которой погибло множество людей. Ходынская катастрофа произвела колоссальное впечатление на общественное мнение России, однако, несмотря на нее, коронационные торжества продолжились.
После занятия Москвы наполеоновской армией в Петровском дворце была устроена ставка пасынка императора Наполеона, принца Евгения Богарне. У дворца расположились 13-я и 15-я пехотные дивизии IV корпуса.
По воспоминаниям французского офицера Эжена Лабома, командовавшего батальоном, в парке вокруг дворца был разбит военный лагерь, а в садовых павильонах находилось множество награбленных в Москве предметов роскоши: персидские ковры, венецианские зеркала, драгоценности, мебель и меха.
Ночью 16 сентября 1812 г. из-за пожара Москвы Наполеон переехал в Петровский дворец из Кремля и разместил в нем свою ставку. 18 сентября, когда пожар утих, он вернулся в Кремль.
При выходе наполеоновской армии из Москвы дворец был разграблен и сожжен солдатами 15-й пехотной дивизии. При этом главный купол дворца обрушился, рухнули перекрытия залов первого этажа, пострадала алебастровая лепнина.
Когда в Москву вошла русская армия, в боковых крыльях дворца был устроен временный госпиталь.
В 1826 г. архитектор И.Т. Таманский составил проект восстановления дворца в соответствии с замыслом М.Ф. Казакова. Фасады были сохранены, однако изменениям подверглось внутреннее убранство: лепка Круглого зала уступила место росписи в технике гризайль, выполненной художником О.И. Артари, на стенах аванзалов появились арматуры — композиции из военных доспехов. Перекрытия центрального зала первого этажа были заменены колоннами. Масштабные внутренние и наружные работы были завершены в 1837 г., после реконструкции парадной лестницы, восстановленной к приезду в Москву императора Николая I.
Незначительные изменения интерьеров были допущены в ходе последующих ремонтов в 1836–1837, 1856, 1862–1867, 1875–1878, 1907–1916 гг. В 1896 г. над главным портиком здания во дворе появились навес над балконом и фигурные печные трубы, впоследствии ликвидированные при реставрации. Как правило, ремонтные работы приурочивались к визитам императорской четы.
После Октябрьского переворота дворец перешел в ведение жилищно-земельного отдела Бутырского районного совета. Левое крыло с 24 октября по 25 декабря 1918 г. было занято пулеметной командой и в результате стало непригодным для жилья. Для размещения части 1-й стрелковой дивизии Бутырский совет выделил правое крыло дворца. Первый этаж главного корпуса занимала столовая общепита районного Совдепа, парадные залы на втором этаже не использовались. Хозяйственные постройки и флигели были заняты под склады столовой и дворцового имущества, жилые помещения — дворцовыми чиновниками и служащими продовольственного отдела.
По постановлению Всероссийского центрального исполнительного комитета № 978/4907 от 10 ноября 1919 г. все имущество, находившееся во дворце, передавалось Отделу по делам музеев Народного комиссариата просвещения. В 1920 г. Петровский дворец поступил в пользование Летного отдела Главного управления Рабоче-крестьянского Красного Военно-Воздушного Флота; в начале 1921 г. этот отдел был переформирован в Опытный аэродром. Отдел по делам музеев оставил за собой только шесть комнат на антресолях главного корпуса для размещения канцелярии и хранения художественных ценностей.
30 апреля 1923 г. отдел по делам музеев дал согласие на передачу Петровского дворца Военному ведомству. Академия Воздушного Флота им. Н.Е. Жуковского, ныне Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, заняла помещения Петровского дворца 16 июня 1923 г. Президиум отдела по делам музеев 13 октября 1923 г. принял решение о переименовании Петровского дворца во Дворец Красной авиации.
Главный корпус дворца использовался под столовую, рабочие кабинеты управления академией и библиотеку; в левом крыле размещалась типография, в правом — моторная лаборатория, флигели использовались под жилье. В 1927–1928 гг. на первом, втором и третьем этажах главного корпуса дворца была проведена полная перепланировка и пробиты новые дверные проемы. К помещению кухни пристроили деревянный тамбур, по фасаду вывели железную вентиляционную трубу. В левом крыле, помимо перепланировки, уничтожили своды. Во дворе появились многочисленные пристройки, не относящиеся к ансамблю дворца. В правом крыле, кроме перепланировки и замены перекрытий, были растесаны окна, пристроены топливный бак и угольная яма. На заднем дворе был построен тир с использованием ограды дворца.
С июля 1941 г. до середины 1943 г. академия находилась в эвакуации в Свердловске. В июле 1941 г. при академии был создан учебный центр, который, не эвакуируясь, работал в Петровском дворце до ноября, обучая главным образом авиационных специалистов, призванных из запаса. Во дворце с 1942 г. находился штаб Авиации дальнего действия.
Члены первого отряда космонавтов, в том числе Ю.И. Гагарин, в 1961 г. без экзаменов были приняты в академию и через семь лет завершили обучение.
В 1998 г. дворец был передан Мэрии Москвы. В 1998–2008 гг. были проведены его комплексная научная реставрация и приспособление под Дом приемов правительства Москвы с парадными залами и гостиницей. Реставрационная деятельность была ориентирована на максимальное сохранение подлинности; руководителем реставрационных работ был А. Антонычев. Были сохранены арки купола дворца. Предметом тщательной реставрации стали уникальные шпренгельные фермы в перекрытиях. Под осевшее крыльцо подвели новую фундаментную плиту без разборки сводов балкона и белокаменных колонн, параллельно восстановив порванные металлические связи. Накренившаяся наружная стена одного из каретных сараев с помощью системы домкратов и направляющих была возвращена в вертикальное положение. При реставрации фасадов применялась технология «домазок», разработанная немецкой фирмой Remmers. Она позволила, не разбирая исторической кладки, восполнить сколы, следы выветривания и другие повреждения поверхности кирпича. В пространство внутреннего двора удалось аккуратно вписать новый инженерный корпус.
