1728 erwarb Kaiser Karl VI. das gesamte Anwesen, suchte es jedoch lediglich zum Fasanschießen auf. Schließlich schenkte er Schönbrunn seiner Tochter Maria Theresia, die schon immer eine Vorliebe für das Schloss mit den umliegenden Gärten hatte. Somit begann für Schönbrunn eine glanzvolle Epoche, das Schloss wurde zum Mittelpunkt des höfischen und politischen Lebens.

Den Sieg über ihre Widersacher bei ihrem Regierungsantritt feierte Maria Theresia 1742 mit dem berühmten Damenkarussell in der Winterreitschule, das von Martin van Meytens festgehalten wurde und seit der Anbringung des Gemäldes im Jahre 1858 dem Schönbrunner Karussellzimmer den Namen gab. Unter dem persönlichen Einfluss der jungen Monarchin und unter der Leitung des Architekten Nikolaus Pacassi wurde das ehemalige Jagdschloss Schönbrunn zu einem Residenzschloss umgebaut und erweitert.

Im Winter 1742 begannen die ersten Herstellungsarbeiten und gipfelten schließlich in einem groß angelegten Umbauprojekt, das der Schlossanlage weitgehend das heutige Aussehen verlieh. In der ersten Umbauphase (1743 - 1749) leitete Pacassi den Ausbau der Audienz- und Wohnräume im Ostflügel für das zukünftige Kaiserpaar; die darauf folgenden Arbeiten umfassten den Abbruch der zentralen Freitreppe Fischers an der Ehrenhofseite, um im Erdgeschoß des Mittelrisalites eine großzügige Durchfahrtshalle zu schaffen und in der darüber liegenden Nobeletage die Große und die Kleine Galerie anzulegen. Die beiden Galerien im Zentrum des Schlosses boten Platz für Festlichkeiten im großen Rahmen, bei Familienfesten im intimeren Kreis stand die Kleine Galerie zur Verfügung. Noch fehlten bei dieser ersten Umgestaltung die reiche Stuckdekoration und die Deckenfresken in den beiden Festsälen.

Zu weiteren Umbauten dieser Zeit zählten auch die Verbindungsarkaden zu den Seitentrakten entlang des Ehrenhofes, die - als Kavaliertrakte bezeichnet - zur Unterbringung des höher gestellten Hofpersonals dienten. Daran anschließend wurden weitläufige Wirtschaftsgebäude Richtung Meidling (unter anderem die Orangerie) und Hietzing errichtet. Schließlich musste Schönbrunn die Unterbringung und Versorgung von über 1500 Personen gewährleisten. Auf ausdrücklichen Wunsch Maria Theresias wurde im nördlichen Hoftrakt auch ein Schlosstheater errichtet, das 1747 feierlich eröffnet wurde. Als Anerkennung für seine Leistungen wurde Pacassi 1749 zum Hofarchitekten ernannt.

Die Arbeiten der zweiten Umbauphase (1752 - 1765) beschränkten sich nicht nur auf räumliche Erweiterungen und auf den Aussenbau, sie konzentrierten sich auch auf die Ausstattung der Repräsentationsräume. Nach dem plötzlichen Tod Kaisers Franz I. Stephan im Jahre 1765, der Maria Theresia besonders schwer traf, folgte eine neuerliche Ausstattungsperiode. Die verwitwete Kaiserin ließ mehrere Räume im Ostflügel des Schlosses als Memorialräume einrichten und scheute keine Kosten, diese mit kostbaren chinesischen Lacktafeln und wertvollsten Holzvertäfelungen zu versehen, die sich bis heute erhalten haben. Im Erdgeschoß ließ sich Maria Theresia zwischen 1769 und 1777 die sogenannten Bergi-Zimmer mit exotischen Landschaftsmalereien ausstatten, die sie bis zu ihrem Tod während der heißen Sommermonate bewohnte.

Nach dem Tod Maria Theresias blieb Schloss Schönbrunn unbewohnt und wurde erst zu Beginn des 19.Jahrhunderts unter Kaiser Franz II./I. wieder als Sommerresidenz benützt. In diese Epoche fällt auch die zweimalige Besetzung Schönbrunns durch Napoleon in den Jahren 1805 und 1809, wobei der französische Kaiser unter anderem auch die Memorialräume Franz I. Stephans im Ostflügel bewohnte.

Am 14. Oktober 1809 wurde im Schloss der Vertrag von Schönbrunn unterzeichnet, der, mit der Niederlage bei Wagram, das Ende des österreichischen Freiheitskrieges gegen Napoleon kennzeichnete. Eine Epoche war zu Ende.

Anlässlich des Wiener Kongresses in den Jahren 1814 und 1815 zeigte sich deutlich, dass Schönbrunn einer dringenden Erneuerung bedurfte. Im Zuge dieser Arbeiten ließ Franz II./I. zwischen 1817 und 1819 auch eine neue Fassadengestaltung nach den Plänen des Hofarchitekten Johann Aman ausführen, die entscheidende Veränderungen mit sich brachte. Aman entfernte den reichen Rokoko-Fassadendekor Pacassis und gab dem Schloss sein heutiges Erscheinungsbild im typisch gewordenen „Schönbrunner Gelb“ mit einer nüchternen und auf wenige Schmuckelemente reduzierten Fassadengestaltung.

Im Jahre 1830 wurde Franz Joseph in Schönbrunn geboren. Als er 1848 den Thron bestieg, sollte das Schloss wiederum eine glanzvolle Epoche erleben; der junge Kaiser erkor Schönbrunn zu seinem Lieblingswohnsitz, in dem er den Großteil seines Lebens verbrachte. Er bezog die zum Ehrenhof gelegenen Räumlichkeiten des Westflügeis, die er bis zu seinem Tod am 21. November 1916 bewohnte. Während die Repräsentationsräume weitgehend unverändert blieben, wurden die Privaträume des Kaisers neu ausgestattet. Die heute noch vorhandene Möblierung zeigt mit ihrem nüchternen und eher bürgerlichen Charakter die persönliche Prägung Franz Josephs. Anlässlich der bevorstehenden Hochzeit mit Elisabeth, Herzogin in Bayern, im Jahre 1854 wurde für die zukünftige Kaiserin ein Appartement im Westflügel zum Hietzinger Kammergarten eingerichtet: mehrere Räume, von denen der Salon der Kaiserin das Zentrum bildete. In Hinblick auf die bevorstehende Weltausstellung im Jahre 1873 in Wien erfolgten ab 1869 umfangreiche Restaurierungen mit Rücksicht auf die ehemalige Rokoko-Ausstattung des 18. Jahrhunderts, die ergänzt, beziehungsweise im Neorokoko als Ausdruck des imperialen Stils, wieder hergestellt wurde.

Die Arbeiten erstreckten sich auf die beiden Galerien und die Gemächer im Ostflügel. In diesen Räumen wurden die Wände mit Tapisserien aus den kaiserlichen Sammlungen oder mit rotem Ananasdamast neu spaliert, wie sie heute noch zu sehen sind. Die Kleine Galerie erhielt bei diesen Arbeiten anstelle der Stuckmarmorfassung aus der Mitte des 18. Jahrhunderts eine hochglänzende Polierweißfassung mit üppigen Golddekor in Form von Agraffen, Trophäen- und Waffenarrangements.