Император лично участвовал в процессе выбора идеального места для великокняжеской резиденции, а строить его поручили известному архитектору Андрею Ивановичу Штакеншнейдеру.

Штакеншнейдер предпочитал эклектику: фасад в стиле итальянского Возрождения, руст и пилястры на цокольном этаже, бельэтаж с коваными балкончиками и большими окнами, необычные карнизы на каждом из этажей.

Доминантой придомового пространства стал фонтан, расположенный посередине открытой площадки, где позднее появился сад с деревьями и цветами. Также на территории дворца появилась придомовая церковь, построенная по образу и подобию одного из храмов в Ростове, невероятно впечатлившего императора своей красотой.

В резиденции было множество различных помещений: на первом этаже находились спальни детей и гувернёров, на втором этаже — покои великокняжеской четы. В восточной части здания были запроектированы просторные банкетный и танцевальный залы.

После смерти князя Николая в 1894 году здание передали женскому институту имени княгини Ксении Александровны. В бывшей княжеской конюшне разместили столовую, в манеже — спальни. Учебное заведение работало вплоть до 1917 года.

После Октябрьской революции бывшая княжеская резиденция стала именоваться Дворцом труда, так как была передана в ведение профсоюзов. Здесь находился Народный университет профсоюзных работников, типография и библиотека. Во время Великой Отечественной войны здание сильно пострадало, но позднее было восстановлено.

В наши дни в Николаевском дворце располагается петербургский Совет профсоюзов. В резиденции также проводят банкеты, презентации, деловые встречи, экскурсии и концерты.