Магистраль полностью изменила свой вид в начале XX века, после открытия Троицкого моста. Тогда-то на ней развернулось интенсивное строительство. Здесь выросли комфортабельные и представительные доходные дома, зрелищные учреждения. Они относятся к лучшим в городе образцам модерна и неоклассицизма.
Дом №№ 1–3 возводился в 1899–1904 годах по проекту Фёдора Ивановича Лидваля. Архитектор строил его по заказу своей матери, в дальнейшем здесь жила вся семья Лидвалей. Живописное по силуэту здание с разными по высоте корпусами обрамляет полуоткрытый озеленённый двор – курдонер. Доходный дом Лидвалей отделен от улицы изящной решеткой с двумя воротами. Здание считается одним из интереснейших памятников архитектуры «северного» модерна. В конце проспекта, ближе к Каменному острову находится ещё один дом, возведённый по проекту Лидваля. Это дом № 61. В 1907 году Ф.И. Лидваль получил почётный диплом Городской думы на конкурсе лучших фасадов. В 1913 году построено правое звено корпуса со стороны Вологодской улицы, надстроены начатые дворовые флигели. Угловая часть здания была отмечена высокой башней со смотровой вышкой. На шести этажах здания архитектор разместил по три больших квартиры в пять, шесть и семь комнат. В каждой квартире предусмотрена столовая, гостиная и кабинет. Для удобства жильцов в доме устроены лифты. Описание этого здания, так же как и дома №№ 1–3, вошло в учебные курсы по архитектуре.
К дому Лидваля в начале проспекта примыкает особняк министра финансов и председателя Комитета министров Сергея Юльевича Витте при Николае II. После революции в особняке работали профилактическая амбулатория и дневной детский санаторий. С 1935 года работает детская музыкальная школа.
В доме № 10 располагается киностудия «Ленфильм». В прошлом здесь был увеселительный сад «Аквариум», с театром, дворцом льда, оранжереями и павильонами. 4 мая 1896 года здесь состоялся первый в России киносеанс.
Каменноостровский проспект пересекает уникальную восьмиугольную площадь. Ещё в XIX веке здесь находились земельные участки с садами и огородами, деревянные с каменным низом одно– и двухэтажные постройки. Первоначально площадь имела дугообразные очертания. В 1890-х годах площадь перепланировали, она стала многогранной. Названия у неё не было, на картах её называли просто Площадью или Площадкой. Площадь получила наименование Австрийская 29 октября 1992 года. Здесь создан один из немногих в Санкт-Петербурге архитектурных ансамблей в стиле модерн.