Крепость была заложена 16 (27) мая 1703 года по совместному плану Петра I и французского инженера Ламбера: 6 бастионов, соединённых куртинами, 2 равелина, кронверк (первоначально дерево-земляные, в 1730-е-1740-е и 1780-е годы одеты камнем). В 1703 году Заячий остров был соединён с Петроградской стороной Иоанновским мостом.
В 1704 году со строительством форта Кроншлот крепости была обеспечена дополнительная защита. В то время Васильевский остров имел насыпной вал по периметру, на котором была установлена артиллерия, а Адмиралтейство со стороны поля имело земляное бастионное укрепление. В совокупности это были основные фортификационные сооружения молодой столицы.
В 1731 году на Нарышкином бастионе построили Флажную башню, на которой стали поднимать флаг (гюйс) (изначально флаг поднимался на Государевом бастионе). Флаг поднимался с утренней зарёй, опускался с вечерним закатом. С 1917 г. флаг не поднимался, но в 1990-е годы эту традицию возродили (сначала флаг поднимали и опускали, но впоследствии его стали постоянно держать на мачте).
С 1730-х годов появилась традиция отмечать полдень пушечным выстрелом с Нарышкина бастиона. Выстрел также отмечал начало и конец рабочего дня. Постоянно стали производить выстрел с 1873 года. В 1934 году выстрелы прекратили, но в 1957 году эту традицию возродили. В XIX веке на территории крепости с 11 до 12 часов дня играл оркестр.
В 1762—1766 годах в крепости был построен дом для ботика Петра I — «Дедушки русского флота» (бот был перевезён из Москвы в 1723 году, сначала для него был выстроен простой навес).
В 1779—1785 годах часть Петропавловской крепости облицевали гранитом. В 1784—1787 годах был придан торжественный вид Невским воротам и Комендантской пристани. 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 были построены здания Монетного двора (Монетный двор был переведён из Москвы в Санкт-Петербург в 1724 году и до постройки специального здания монеты чеканили в помещениях Трубецкого и Нарышкина бастионов). Справа от Петровских ворот в 1801—1802 годах был построен склад оружия (артиллерийский цейхгауз).
Петропавловская крепость никогда не принимала непосредственного участия в военных действиях. С самого начала своего существования она стала использоваться в качестве главной политической тюрьмы России. Одним из первых узников крепости стал царевич Алексей (он умер или был тайно убит в крепости в 1718 году). Здесь же находилась в заточении княжна Тараканова. В 1790-х годах в крепости содержался Радищев, автор книги «Путешествие из Петербурга в Москву».
В «Секретном доме» Алексеевского равелина содержались декабристы, петрашевцы и народовольцы, а также Нечаев. С 24 апреля по 24 декабря 1849 года здесь был заключён Ф. М. Достоевский. С 1851 по 1854 годы отбывал наказание М. А. Бакунин. С 1862 по 1864 годы в равелине содержался Н. Г. Чернышевский. В 1872 году была построена тюрьма Трубецкого бастиона, через которую до 1917 года прошли около 1500 политических заключённых. В 1882 году был засыпан пересекавший Заячий остров канал крепости Санкт-Петербург.