Извършва се почти изцяло ново строителство – от предишната сграда са запазени само каменните основи (дълбоко вкопани в земята) и частично главната фасада[1]. Строителството се извършва на 2 етапа.
Първа част (1880 – 1882) – по времето на първия български монарх след Освобождението княз Александър Батенберг под ръководството на арх. Виктор Румпелмайер с участието на архитектите Антонин Колар, Ларс и Майербер е построена представителна част (приземен административен етаж и над него анфилада от бални зали) със сервизен етаж. Сградата е тържествено открита на 26 декември 1882 г. Новата 1883 г. е посрещната в залите на Двореца. Той е първата представителна столична сграда в европейски стил.
Втора част (1894 – 1896) – по времето на следващия български владетел княз Фердинанд I под ръководството на арх. Фридрих Грюнангер и скулптора Андреас Грайс (гипсовите декорации и орнаменти) е доизградена новата, северозападната част на Двореца за апартаментите на царското семейство, сервизни помещения. В новата пристройка са били разположени още библиотека, учебни салони, стаи за игри и развлечения, трапезария и приемна, специален покрит вход за каляски и 2 зимни градини. На третия и мансардните етажи са били апартаментите за гости, помещения за персонала, офиси. В тази част на сградата е бил монтиран асансьор. На първия етаж са се намирали апартаментите на княз Фердинанд, княгиня Мария-Луиза и престолонаследника княз Борис Търновски, а на втория – на княз Кирил Преславски и на княгините.
Княжеският дворец с парка, снимани преди 1888 г.
Входът откъм Руската църква към парка и Княжеския дворец, 1906
По онова време се изграждат и 2 дворцови параклиса – католически и православен, разположени откъм североизточната задна страна на старото крило. За украсата на православния параклис дават своя принос художниците Антон Митов и Иван Мърквичка през 1897 г., както и Стефан Баджов през 1912 – 1916 г. В изграждането на Двореца на този етап участват и архитектите Франц Айслер, Янаки Шамарджиев, Йордан Севов и Иван Васильов.
Металната украса на целия дворец – парапети на стълбища и тераси, декоративни решетки, огради и колони, вътрешни стълби и пр., са дело на виенските фирми „Рудолф Филип Ваагнер“ и „Валериан Гилар“, както и на германската „Ed. Puls“ от Берлин. Металната облицовка на камините е изпълнена от френската фирма A-ne M-on G. Laury. B-te S.G.D.E. à Paris, а скъпо обработените дъбови врати, изпълнени в техника „маркетри“ от екзотична дървесина, седеф, месинг, сребро и позлата с изображения на царски корони и лични княжески вензели, носят щемпела на фирмата „Franz Michel“ от Виена.
Въпреки пристройките Дворецът е запазил компактния си обем и стегнатата си архитектурна композиция. Вътрешните връзки между отделните крила осигуряват бързи и леки преходи, което позволява да се съчетават функциите на представителна държавна институция и семейно жилище. До края на Първата световна война Дворецът е служил за мярка на всички обществени и жилищни сгради в столицата.
След женитбата (октомври 1930 г.) на цар Борис III с италианската принцеса Джована Савойска се предприема сериозна промяна и подновяване на вътрешната обстановка. По същото време княз Кирил Преславски и княгиня Евдокия напускат Двореца и заживяват самостоятелно.
Царският дворец, изглед откъм катедралата „Св. Неделя“, сниман преди 1944 г. Източник: ДА „Архиви“
Поради усложняването на военната обстановка от 1942 г. царското семейство от Двореца се премества да живее в царските резиденции Врана (извън тогавашна София) и Царска Бистрица (в курорта Боровец в Рила). В спалнята си в Царска Бистрица след кратко боледуване неочаквано умира българският владетел цар Борис III на 28 август 1943 г.
Правителствен дворец, школа
След премахването на монархията и установяването на републикански режим (15 септември 1946 г.) дворецът става седалище на Министерския съвет и Висшата партийна школа, както и временно жилище на нови държавници. Зала в двореца набързо е пригодена за кабинет на министър-председателя Георги Димитров, за което са изкъртени и унищожени всички ламперии, а останалото е боядисано с блажна боя. Оградата на двореца е варварски разрушена през 1946 г., а паркът му е оставен отворен и без грижи.
При строежа на мавзолея на Георги Димитров през юли 1949 г. е унищожена парковата алея пред централния вход. На нейно място е оформен широк площад, при което нивото на околния терен е снижено с около 2 метра. Варварското отношение към интериора на двореца засяга почти всички помещения. По твърде примитивен начин е извършено вътрешно преустройство: дворцовият интериор е обкован с дъски, шперплат и немарливо боядисан с блажна боя.
Комплекс от национални музеи
През 1953 г. по решение на Министерския съвет сградата на бившия дворец е предоставена на Националната художествена галерия и на Националния етнографски музей. Сградата е обявена за недвижим паметник на културата през 1978 г.
Площадът, оформен между двореца и мавзолея, носи името „9 септември“ по времето на Народна република България. Тогава се използва за манифестации на трудещите се и учещите на главните празници в страната (1 май, 24 май, 9 септември), както и за военни паради на Българската народна армия, наблюдавани от висши държавни ръководители от трибуните на мавзолея и от чуждестранни дипломати и други официални лица от трибуните пред двореца.
