Спроектирована и построена архитектором С.И.Чевакинским. Распоряжение о постройке оранжереи было издано 22 июня 1751 года, а в 1753 году здание было практически готово. Оранжерея состояла из центрального зала и двух павильонов, связанных в одно целое остекленными корпусами. В конце 1750 – начале 1760 годов был построен третий павильон, ближе к дворцу, что нарушило симметрию общей композиции. В 1820 году архитектор В. П. Стасов разработал проект перестройки оранжереи. Он сохранил прежнюю композиционную систему павильонов и соединительных корпусов, но два средних павильона из четырех превратил в оранжерейные залы. Они не делятся на этажи, а их огромные стеклянные арки заключают по четыре полуколонны, орнаментальный фриз и широкий архивольт, обегающий по дуге окно.

Сандрики, украшенные серповидными щитами с масками, иархивольты, заполненные розетками, значительно обогащают фасад. Крайние павильоны, используемые для жилья служащих, также получили одинаковые размеры и стали настоящим украшением сооружения. Фасады этих зданий оформлены во втором этаже лоджиями. Декоративный антаблемент лоджий увенчан карнизом.

Все павильоны, за исключением одного - оранжерейного зала, были увеличены за счет пристроек. Общая длина комплекса сооружений составляет почти 200 метров. Перестроенная оранжерея утратила барочную декорацию фасадов и приобрела облик, типичный для построек русского классицизма. Зодчий закончил реконструкцию в 1824 году.

В 1933-1934 годах ленинградский архитектор В.И. Яковлев частично перестроил здание оранжереи, и оно было приспособлено для целей учебного заведения. Было возведено угловое дугообразное крыло здания, предусмотренное еще проектом В.П.Стасова, но не построенное им. После военных разрушений оранжерея была восстановлена в 1949-1952 годах архитектором Л. Н. Ротиновым.