Красуйся, град Петров,
И стой неколебимо, как Россия!
Александр Сергеевич Пушкин
К концу XIX века возможности для новых захоронений в Петропавловском соборе были исчерпаны. В 1906 году рядом была сооружена Великокняжеская усыпальница по проекту архитекторов Давида Ивановича Гримма и Антония Осиповича Томишко. Строительство было начато в апреле 1897 года. После кончины Д. И. Гримма, а затем А. О. Томишко, строителем усыпальницы был назначен Леонтий Николаевич Бенуа. К тому времени стены и пилоны были возведены до основания сводов. Бенуа переработал проект,
Пространство парадного двора перед вестибюлем отделено решеткой, сооруженной в 1905 году. По воле Николая II Бенуа спроектировал ее по образцу решетки Летнего сада. Здание богато декорировано, решено в традициях позднего ренессанса и французского классицизма. Купол покрыт темным шифером, главка и крест - сусальным золотом.
На всех четырех фасадах усыпальницы, по одной на каждом, в 1907 году по предложению Леонтия Николаевича Бенуа установлены мозаичные иконы, выполненные в петербургской Мозаичной мастерской Владимира Александровича Фролова. На трех круглых диаметром около двух метров мозаиках представлены изображения: на южном фасаде Казанской, на северном Иверской и на восточном Феодоровской икон Божьей Матери. Четвертое панно - на выходе из усыпальницы - образ Спаса Нерукотворного. Мозаики с изображениями Божьей Матери состоят из тысяч кусочков смальты множества цветов и оттенков, и каждый кусочек представляет собой сантиметровый кубик. Изображение Спаса Нерукотворного по размеру - меньше.
Внутреннее убранство Великокняжеской усыпальницы было уничтожено в годы Советской власти: иконостас не сохранился, алтарный витраж выбит взрывной волной во время Великой Отечественной войны. В 2006 году по сохранившемуся в фондах Государственного музея истории Санкт-Петербурга проекту был воссоздан запрестольный витраж с изображением Воскресшего Спасителя.
С 1954 года усыпальница входит в музейный комплекс, ныне Государственный музей истории Санкт-Петербурга.