А его сын В.В. Растрелли назначен придворным архитектором Анны Иоанновны в 1730 г. по протекции Э.И. Бирона, которому он построил дворцы в Рундале и Елгаве (нынешняя Латвия). Он не замедлил представить проект здания, решенного в необычном для тогдашней России стиле. Это было здание с сильно выдвинутыми отдельными объемами и с непривычно богатой отделкой фасада.
Проект Анне Иоанновне понравился и высочайше одобрен. В январе 1732 г. началось возведение 4-го Зимнего дворца. Для этого привлекли почти всех строителей-мастеровых, которые оказались в городе. Каменщиков взяли даже со строительства Александро-Невской лавры. К 1737 г. работы, включая внутреннюю отделку дворца, завершены. Здание нового корпуса, развернутого фасадом в сторону Адмиралтейства, примыкало к дому Ф.М. Апраксина с запада, образуя с ним огромный единый комплекс, и включало в себя бывший дом А.В. Кикина.
Ф.Б. (В.В.) Растрелли. Худ. Л.К. Пфандцельт. 1750–1760-е гг.
Новый дворец Анны Иоанновны стал именоваться на планах города Новым Зимним дворцом, а дворец Екатерины I – Старым Зимним дворцом. По отзывам современников, подобных строений «Россия до днесь не имела».
Дворец украшали скульптурные фронтоны, лепные наличники окон, три балкона (на Неву, на Адмиралтейство и на Луг), колонны у входов. Главные подъезды располагались со стороны Невы и со стороны Дворцового луга. К невскому подъезду вела лестница из белого камня.
Ломаная кровля сначала была крыта гонтом, а затем его заменили железом. Для стока воды устроили медные желоба, заканчивавшиеся 28 медными драконами с раскрытыми пастями. На вызолоченном фронтисписе установили две деревянные фигуры, которые держали щит с вензелем императрицы. Фасады со стороны Невы, Адмиралтейского луга (Дворцового луга, ныне – Дворцовой площади) и Адмиралтейства В.В. Растрелли оформил в едином стиле.
Проспект вниз по Неве реке между Адмиралтейством и Академией наук. Фрагмент раскрашенной гравюры по рис. М.И. Махаева. 1753 г. Первым слева виден фасад 4-го Зимнего дворца. Далее – ров, валы и строения Адмиралтейства. В глубине – церковь Св. Исаакия Далматского, стоявшая на нынешней Сенатской площади
Во дворце имелись домовая церковь, Большая тронная зала с Аванзалом и около семидесяти покоев разного размера. Их украшали росписи, картины и барельефы, хрустальные люстры, наборные паркеты, позолоченные резные фигуры, статуи. В оформлении интерьеров участвовали художник Л. Каравак, резчики Сен-Лоран и С. Цельбрехт, лепщик А. Мартелли и многие другие мастера и художники. Отапливалось огромное здание при помощи 90 печей.