Строительство бастионов курировал Пётр I и его сподвижники. По кураторам назвали крепостные бастионы: Трубецкой, Нарышкин, Государев, Меншиков, Головкин, Зотов. При заложении Государева бастиона Пётр I присутствовал, а за строительством следили либо князь Меншиков, либо царевич Алексей. Сподвижники Петра не только следили за строительством бастионов, но и не редко поставляли строительный материал, финансировали работы.
В Петропавловской крепости были предусмотрены подземные ходы (сортии). Они служили для высадки десанта за пределы крепостных стен. В стенах крепости существуют тайные ходы, так называемые патерны. Они также служили для внезапного появления солдат в тылу врага. Выход из них был заложен одним слоем кирпича, место выхода знали только доверенные офицеры.
В 1705-1708 годах с севера от крепости возведён Кронверк - земляные валы в форме короны (отсюда название, "крон" - корона, "верк" - крепость) для защиты от возможного нападения с суши. Земляные валы срыты в 1850-х годах, на их месте построено специальное здание для размещения собрания предметов вооружения, знамён, орденов, медалей и других реликвий русской армии. Проток к северу от крепости назван Кронверкским.
Открывающие Петропавловскую крепость с востока Петровские ворота построены в 1716-1717 годах по проекту Д. Трезини.
Между Нарышкиным бастионом и Петропавловским собором расположен Комендантский дом (построен в 1743-1746 годах). Здесь жил комендант крепости, в доме были его квартира и канцелярия, велись допросы заключённых. Именно в Комендантском доме в 1826 году был оглашён приговор Верховного уголовного суда декабристам. Комендантский дом изначально был построен в один этаж, в 1892 году был надстроен второй. У восточной стены Петропавловского собора находится Комендантское кладбище. С 1720 по 1914 года здесь похоронили восемнадцать комендантов Петропавловской крепости. Рядом с Комендантским домом расположено здание Гаупвахты. В XVIII веке перед ней находилась площадь со специальным местом для наказания солдат. В 1907-1908 годах к Гауптвахте пристроили четырёхколонный портик. Слева от Петровских ворот находится инженерный дом для инженерно-строительной команды крепости, построен в 1747-1749 годах. Проект этого дома - пример типового дома для "зажиточных". По такому же проекту в городе в начале XVIII века строили общественные здания (гостиные и почтовые дворы). В конце XIX века в инженерном доме находились жилые комнаты.
Строительство Петропавловской крепости полностью завершено к 1740-му году. В 1730-х, при Анне Иоанновне, построены равелины (укрепления к востока и запада). Между равелинами и крепостными стенами прорывается ров, уровень воды в котором мог искусственно регулироваться (засыпаны в конце XIX века). Западный равелин назван Иоанновским (в честь старшего брата Петра I Ивана Алексеевича), восточный - Алексеевский (в честь отца Петра I - Алексея Михайловича). Первый мост в городе - мост между Иоанновским равелином и Троицкой площадью. По равелину назван и мост - Иоанновский. Мост этот неоднократно перестраивался, но сохранил в целом свой первоначальный облик.
В 1704 году через всю Петропавловскую крепость с востока на запад был прорыт ров, для снабжения крепости водой во время возможной её осады. В 1880-х годах ров засыпан.
В 1731 году на Нарышкином бастионе строят Флажную башню, на которой поднимают 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 в последствии решили постоянно его держать на мачте. Именно с Нарышкина бастиона каждый день в 12 часов раздаётся пушечный выстрел - обычай отмечать полдень с 1730-х годов. Кроме как в полдень, выстрел отмечал начало и конец рабочего дня. Начало этого действия положил указ князя Меншикова. 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. До недавнего времени пушки делали холостой выстрел в сторону Зимнего дворца. Однако по просьбе директора Эрмитажа Михаила Пиотровского, они развёрнуты, сейчас смотрят в сторону Финского залива. В XIX веке на территории крепости с 11 до 12 часов дня играл оркестр. В 2005 году во флажной башне установили рояль, время от времени сюда для игры приглашают известных музыкантов.
Ботный домик построен по проекту А. Ф. Виста в 1762-1766 годах. Изначально был деревянным, впоследствии переделан в каменный. Дом построен для ботика Петра I - "Дедушки русского флота". Судно было подарено царской семье английским посольством. Его нашёл Пётр в селе Преображенском, им лично отреставрирован, в детстве Пётр плавал на нём по Яузе. Бот перевезён сюда из Москвы в 1723 году, сразу по окончании Северной войны. Специально для его встречи была построена пристань (Комендантская) и ворота (Невские). Сначала для судна был выстроен простой навес. Когда же был выстроен специальный дом для него, то оказалось что двери строения слишком узки чтоб пронести внутрь ботик. Пришлось тогда разобрать часть стены. Говорят после этого А. Ф. Виста навсегда выслали из России, помня ещё и об обвалившейся колокольне Андреевского собора его же постройки. В 1724 году Пётр I устроил морской парад, то есть показал "дедушке русского флота" весь имеющийся тогда русский флот. Подобное позже повторил Александр I. У Ботного домика стоял караул. Любой желающий мог под надзором офицера осмотреть ботик, таким образом здесь был организован первый в России мемориальный музей. Караульный офицер же был обязан рассказать посетителю о экспонате. В 1891 году на ботном домике появилась статуя Навигации работы Д. И. Иенсена. В 1940 году бот перенесён в Военно-Морской музей, открывшийся в здании Биржи, в Ботном домике находится его копия. Копию выполнили в 1996 году на Петрозаводе, новое судно участвовало в праздновании 300-летия Санкт-Петербурга.
В 1779-1785 годах северную часть Петропавловской 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 невидно из кабинетов Зимнего дворца так и осталось красного цвета.
В 1784-1787 годах по проекту Львова был придан торжественный вид Невским воротам и Комендантской пристани. Именно с этой пристани узников, приговорённых к смерти, выводили из крепости и отвозили по Неве к месту казни. Под аркой Невских ворот оформлена "Летопись катастрофических наводнений". В ней отмечены наивысшие подъёмы воды в 1752, 1777, 1788, 1824, 1924 и 1975 годах.
В 1798-1806 годах по проекту А. Порто строится здания Монетного Двора. Монетный двор переведён из Москвы в Санкт-Петербург в 1724 году, до постройки специального здания монеты чеканили в помещениях Трубецкого и Нарышкина бастионов. До недавнего времени только здесь производились все металлические монеты, все ордена и медали (за исключением орденов ручной работы). С конца 1990-х годов монеты начали чеканить и в Москве.
Справа от Петровских ворот в 1801-1802 годах построен склад оружия (артиллерийский цейхгауз).
Петропавловская крепость не принимала непосредственного участия в военных действиях, так как почти сразу оказалась в центре самого города, который должна была защищать. С её стен не было сделано ни одного боевого выстрела. Впоследствии она стала использоваться в качестве главной политической тюрьмы России. Один из первых узников - царевич Алексей, сын Петра I. Здесь же находилась в заточении княжна Тараканова. В 1790-х годах в крепостной тюрьме содержался Радищев, автор произведения "Путешествие из Петербурга в Москву". Эта книга продавалась в Большом Гостином Дворе, один из экземпляров попал в руки Екатерины II, после чего она и повелела арестовать Радищева. Суд приговорил его к смертной казни, но императрица изменила приговор на ссылку. Вернуться в Санкт-Петербург Радищев смог только при Павле I. При Павле I на территории Алексеевского равелина строится тюрьма, почти без фундамента на 20 одиночных камер. Эту тюрьму охраняли 50 солдат которые не имели права покидать территорию равелина. Первыми известными узниками здесь были декабристы, братья Бестужевы. В этой тюрьме во время заключения Чернышевский написал свой роман "Что делать". В тюрьму Алексеевского равелина заключали без суда, только по решению царской власти. Самое длительное заключение в этой тюрьме - 20 лет. В 1870 году тюрьма была разобрана из-за ветхости. На её месте построено здание для администрации Петропавловской крепости.
Новое тюремное помещение организовали внутри Трубецкого бастиона. Для этого стену бастиона частично разобрали изнутри, от 20 метров оставили только 2-3. С отступом 1-1,5 метра от стены было построено 2х-этажное здание тюрьмы Трубецкого бастиона. Здесь организовали 69 одинаковых одиночных камер. В них содержали подследственных, дольше двух лет заключённые здесь не находились. По окончания следствия отсюда заключённых либо направляли на поселения или на каторгу, либо приводили в исполнение смертный приговор.