В 1990 году исторический центр Санкт-Петербурга и дворцово-парковые ансамбли пригородов включены в список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО. Под охраной государства находятся около 8 тысяч памятников архитектуры. В 2005 году принята Петербургская стратегия сохранения культурного наследия.

Величественный облик города определяют архитектурные ансамбли, строгие прямые улицы, просторные площади, сады и парки, реки и многочисленные каналы, набережные, мосты, узорчатые ограды, монументальные и декоративные скульптуры. Архитектурные ансамбли XVIII—XX веков: Петропавловская крепость, Александро-Невская лавра, Смольный институт, Дворцовая площадь с Зимним дворцом, Адмиралтейство, Невский проспект, Стрелка Васильевского острова со зданием Биржи, Сенатская площадь с памятником Петру I, улица Зодчего Росси и площадь Островского, площадь Искусств, Исаакиевская площадь и, сформировавшаяся в XX веке, площадь Восстания. Одним из памятников архитектуры являетсяОбер-офицерская гауптвахта. В июне 2019 года на XV Конгрессе Организации городов Всемирного наследия в Кракове (Польша) Санкт-Петербург получил международную премию «The Jean-Paul-L’Allier Prize for Heritage» за активное участие и вклад в комплексное освоение бывших промышленных объектов, являющихся памятниками истории и культуры. Такие объекты как «Новая Голландия», Планетарий № 1, Севкабель Порт и креативное пространство «Ткачи» были реконструированы, отреставрированы и адаптированы для современного использования в качестве общественных пространств.

Стремительное развитие Петербурга стало вызовом традиционному представлению о городе с многовековой историей, который растёт и развивается медленно. Пётр I задумывал город по образцу Венеции и Амстердама: вместо улиц, мощёных камнем, город должна была покрыть сеть каналов, по которым жители перебирались бы на лёгких судах. Хотя мечте Петра не суждено было сбыться, именно зарубежный опыт лёг в основу дальнейшей застройки. Автором первого генерального плана города 1716 года был итальянский архитектор Доменико Трезини: прямые перпендикулярные улицы, широкие «прошпекты» стали характерной чертой новой столицы. Такая планировка видна на примере Васильевского острова и «трезубца»: Адмиралтейство — Невский проспект, Гороховая улица, Вознесенский проспект. Почти вся застройка центральной части города появилась позже, но геометрически заданные площади и улицы определили облик города до наших дней. Решающую роль в этом сыграла личность Петра I, он лично выбрал место Невского проспекта, Адмиралтейства, Петропавловской крепости, ввёл жёсткую градостроительную дисциплину. Все здания по его указу должны были строиться из камня (одновременно с этим во всех иных городах России было запрещено использовать камень в качестве основного строительного материала). В те времена получил распространение стиль петровского барокко, представителями которого являются итальянцы Д. Трезини, Дж. М. Фонтана, Н. Микетти, француз Жан-Батист Леблон, немцы А. Шлютер, Г. Маттарнови, русский М. Земцов. В городе сохранилось несколько зданий, построенных в этом стиле: Петропавловская крепость с Петропавловским собором, Летний дворец, Кунсткамера, здание Двенадцати коллегий, Меншиковский дворец. В середине XVIII века стал преобладать стиль елизаветинского барокко, представленного архитекторами Ф. Б. Растрелли (Зимний дворец, Смольный монастырь, Большой Петергофский дворец в Петергофе, Большой Екатерининский дворец в Царском Селе) и С. И. Чевакинским (Никольский морской собор).

В 1844 году императором Николаем I был издан указ о запрещении строить гражданские здания в городе выше карниза Зимнего дворца[232]. Со второй половины XVIII века преобладающим в архитектуре города стал классицизм. Основные архитекторы этого стиля: В. И. Баженов (Михайловский замок), Ж.-Б. Валлен-Деламот (здание Академии художеств, Большой гостиный двор), А. Ринальди (Мраморный дворец), И. Е. Старов (Таврический дворец, Троицкий собор Александро-Невской лавры), Дж. Кваренги (здание Смольного института, Александровский дворец в Царском Селе), Ч. Камерон (Павловский дворец); и более поздней (с начала XIX века) его разновидности, стиля русского ампира: А. Н. Воронихин (Казанский собор), А. Д. Захаров (Главное адмиралтейство), Ж. Тома де Томон (Стрелка Васильевского острова), К. И. Росси (Михайловский дворец, здание Главного штаба, Александринский театр, здание Сената и Синода), В. П. Стасов (Спасо-Преображенский собор, Троице-Измайловский собор), О. Монферран (Исаакиевский собор).

В середине XIX века в архитектуре стала преобладать эклектика: А. И. Штакеншнейдер (Мариинский дворец, дворец Белосельских-Белозерских), А. П. Брюллов (Лютеранская церковь Святых Петра и Павла), К. А. Тон (здание Московского вокзала), А. А. Парланд (храм Спаса на Крови). С середины века начинается сооружение новых набережных и мостов, идёт большое строительство доходных домов. Именно в этот период формируются Литейный, Владимирский и Загородный проспекты.

Дворцовая площадь зимней ночью. Зимний дворец, здание штаба Гвардейского корпуса, Александровская колонна, здание Главного штаба
Дворцовая площадь зимней ночью. Зимний дворец, здание штаба Гвардейского корпуса, Александровская колонна, здание Главного штаба
В начале XX века в городе появляются здания в стиле модерн, в числе которых дом компании «Зингер», Елисеевский магазин, гостиница «Астория», Витебский вокзал. В этот период массовый характер приобрело украшение доходных домов, частных особняков и общественных сооружений витражами. В 1904—1906 годах была построена усадьба Р. Ф. Мельцера, в архитектуре которой использовались мотивы скандинавского народного творчества (по другой оценке — мотивы древнерусского зодчества, русской национальной архитектуры и финского национального романтизма)[234]). Следом пришёл стиль неоклассицизма («Дом с башнями» на площади Льва Толстого), сменившийся с 1920-х годов конструктивизмом (Дворец культуры имени А. М. Горького, Большой дом на Литейном проспекте) и сталинским ампиром (ансамбли Московской площади, Московского проспекта, проспекта Стачек, площади Калинина, станции первой очереди Ленинградского метрополитена). С 1923 года начинается жилищное строительство в новых районах по принципу комплексной застройки («Жилмассивы»). С начала 1960-х годов началось массовое возведение «хрущёвок», а с 1970-х годов «домов-кораблей». В то же время появляются здания, построенные по индивидуальным проектам: Дворец спорта «Юбилейный», ансамбль площади Победы, гостиница «Прибалтийская», спортивно-концертный комплекс им. В. И. Ленина, здание аэропорта Пулково.

В XXI веке происходит снос зданий в историческом центре: были уничтожены казармы Преображенского полка (одного из старейших в России) и сапёрного батальона (Кирочная улица), 5 домов на Невском проспекте, корпус XVIII века и интерьеры дома Чичерина, несколько домов на улице Восстания и Литейном проспекте, дом на Вознесенском проспекте, ряд зданий на Петроградской стороне и другое. Некоторые из снесённых домов имели официальный статус памятников архитектуры. В 2008 году вступили в силу изменения в законодательстве, которые сняли запрет на приватизацию памятников федерального значения, действовавший в России с 2002 года. В этот список приватизации могут попасть около 650 строений города, находящихся пока в федеральном списке охраны.