Застройка Дворцовой набережной начала формироваться одной из первых в Санкт-Петербурге. От Адмиралтейского луга берег Невы постепенно застраивался жилыми домами. В 1705 году на расстоянии 200 сажен от Адмиралтейства по проекту Доменико Трезини был построен дом генерал-адмирала Фёдора Матвеевича Апраксина. В 1707 году рядом поселился адмиралтейств-советник А. Кикин. В 1712 году дом Апраксина был перестроен в камне, в 1716 году здание было вновь переделано, а после приезда в Санкт-Петербург архитектора Леблона перестроено ещё раз.
В первой четверти XVIII века появилась необходимость укреплять невский берег. С 1716 года его стали укреплять деревянными стенками, обустраивали пристани. Таким образом у Невы было "отвоёвано" более 80 метров. К 1720 году вдоль Зимнего дворца Петра I был прорыт канал, названный Зимней канавкой. Через него в створе набережной инженером Германом ван Болесом был построен деревянный разводной Зимнедворцовый мост.
В 1727 году на месте дома №8 был построен дворец для князя Кантемира. В 1728 году по завещанию дом Апраксина перешёл Петру II. Молодой император здесь так и не поселился, он переехал с правительством в Москву, где умер от холеры. Дом Апраксина всё это время пустовал, с 1731 гда стал перестраиваться под резиденцию Анны Иоанновны. Начинал эти работы Доменико Трезини, продолжал по желанию императрицы Ф. Б. Растрелли. Для размещения новых помещений был выкуплен соседний участок, принадлежащий Морской академии. К 1735 году здесь был построен новый Зимний дом Анны Иоанновны, главным фасадом выходящий к Адмиралтейству.
В 1740-1790-х годах набережная называлась Миллионной. С 1762 года её одевают в камень, именно тогда были сооружены полукруглые спуски к Неве. Этими работами руководил Игнацио Росси. Однако работы были выполнены не качественно. С 1772 года набережную перестраивали по проекту Юрия Матвеевича Фельтена. В грунт забивали дубовые просмоленные сваи, между ними клали гранитные блоки связанные железными скобами. Всю эту конструкцию заливали свинцом. Таким образом берег был вынесен в русло реки ещё на 20 метров. При появлении проезжей части набережной, было решено отделить от неё Летний сад. Тогда то и появилась знаменитая ограда, которую спроектировал Фельтен. В XVIII веке набережная именовалась Почтовой, так как на том месте где сейчас расположен Мраморный дворец, находился Почтовый двор.
В 1763-1766 годах через Зимнюю канавку вместо деревянного был построен каменный Эрмитажный мост. Дворцовую набережную с набережной Кутузова соединяет Верхне-Лебяжий мост, возникший здесь в 1767-1768 годах. На гранитный спусках к Неве можно видеть даты их создания.
В 1762-1769 годах построено здание Малого Эрмитажа (дом №36). В 1775-1783 годах Фельтен строит Большой Эрмитаж (дом №34), в 1783-1785 годах соединяет его с Эрмитажным Театром аркой. Эрмитажный Театр (дом №32) построен в 1783-1787 годах. В 1762-1785 годах между набережной и Миллионной улицей построен Мраморный дворец. В 1784-1788 годах построен дом №4 - дом Салтыковых. Соседний дом №2 построен также в 1780-х годах, принадлежал И. И. Бецкому.
В 1799 году два здания на месте существующего сейчас дома №10 были объединены в одно по проекту Джакомо Кваренги. Это стало подарком императора Павла I своей фаворитке Анне Петровне Лопухиной к её свадьбе с князем Гагариным.
В начале 1820х годов участок набережной у Зимнего дворца представлял из себя строительную площадку. Здесь располагались амбары, сараи, груды камня, кучи песка и штабеля досок, заготовленных для строительства здания Главного штаба. Николаем I было принято решение о благоустройстве этой территории, работа поручена архитектору Карлу Росси. По его проекту здесь был устроен широкий спуск к Неве. Росси планировал украсить его скульптурами Диоскуров (юношей, сдерживающих коней) и чугунными львами, копиями тех, что находятся у Михайловского дворца. Поместить здесь диоскуров император запретил, зодчий заменил их вазами из порфира.
В 1827 году в связи с постройкой первого наплавного Троицкого моста на набережной обновили ограду и фонари. В 1857-1862 годах построен Ново-Михайловский дворец (дом №18). В 1867-1872 годах построен дом №26 - дворец великого князя Владимира Александровича.
Сразу за Мраморным дворцом с 1711 года был прорыт Красный канал, который соединял Неву и Мойку. При строительстве дворца он был засыпан. В 1780-1788 годах рядом с дворцом был построен служебный корпус (дом№6), существующий вид здание приобрело в 1844-1847 годах. В 1915 году пристань со львами переместили на Адмиралтейскую набережную.
В 1923-1944 годах Дворцовая набережная именовалась набережной 9-го января.
9 сентября 1941 года во время авианалёта одна из бомб упала перед домом №14, уничтожив его фасад и фасады соседних домов №12 и 16. После войны фасады этих зданий были объединены.
