Земляная крепость, возведенная поспешно в боевых условиях, не могла быть постоянным и надежным оборонительным укреплением. Поэтому в 1706 году, когда на Балтике уже был русский военный флот, созданный на Адмиралтейской верфи, а границы русского государства отодвинуты за Нарву, можно было, не опасаясь неожиданных нападений со стороны шведов, приняться за строительство каменной крепости.
30 мая 1706 года в день рождения Петра I произошла церемония закладки Петербургской каменной крепости. В торжественной обстановке Петр I заложил мраморный куб со своим именем и датой закладки в основание бастиона Меншикова. В память об этом событии была выбита медаль.
Строительство вновь развернулось широко. Камень, кирпич, глину, известь и песок подвозили из окрестных мест на специальных судах. В 1709 году в распоряжении коменданта крепости Р. В. Брюса было 205 таких судов различной величины, их обслуживало более 7600 грузчиков. По-прежнему трудилось множество солдат и «работных людей» различных специальностей. На этом строительстве использовали каторжников и ежедневно до 6000 человек «работных людей городского строения». Эта масса строителей разравнивала земляные валы, копала котлованы, забивала сваи, выкладывала фундамент из камня, поднимала кирпичные стены и выполняла множество иных строительных работ. Своды казематов возводились из тесаного камня и сверху выстилались несколькими слоями кирпича. Сводами был перекрыт канал у пересечения со стенами крепости.
Петр I внимательно следил за ходом строительства, вникая во все детали. 10 декабря 1706 года, уезжая в Нарву, он сставил записку с распоряжением, что делать в крепости в его отсутствие, и, между прочим, потребовал: «…по сошествии льда тотчас кронверк делать с прилежным поспешанием, чтоб будущего лета… совсем отделать» 1. [1 «Деяния Петра Великого…», ч. II. М., издание Н. Новикова, 1788, стр. 395.]
И действительно, с весны 1707 года началось возведение земляного кронверка - дополнительного укрепления на северном берегу протока, разделяющего Заячий и Березовый острова.
К августу 1708 года валы кронверка одели дерном, окружили рвами с водой и оснастили 78 орудиями. В блиндажах кронверка расположили 86 помещений для гарнизона.
К кронверку были обращены Никольские и Кронверкские ворота в одноименных куртинах северной крепостной стены.
13 мая 1708 года в присутствии Петра I состоялась церемония закладки в камне Трубецкого бастиона.
Строитель крепости Доменико Трезини регулярно информировал Петра I о ходе возведения крепости и тогда, когда царя не было в Петербурге. Так, 14 июня 1709 года, вскоре после Полтавской победы, Трезини писал Петру: «О своей работе доношу и вашим великим счастием ныне твердый камень во основание и крепость Питербурха положен, а я со всяким радением рад трудитися против чертежа Вашего, токмо даждь боже, дабы вашему величеству труды мои угодны были, только нынешнего лета у того дела малолюдство, а в прошедшие месяцы май и апрель только одни были каменьшики и то самое малое число, а что сделано нынешняго лета писано ниже сего». Далее Трезини докладывает, что в куртине между бастионами Меншикова и Головкина он достраивает казармы и заканчивает свод: «Куртина над каналом, три казармы; ныне в них кладем… Одна фаза ныне сделана по вашему чертежу от казематов, а другая фаза, что к реке, сделана и с казармою» 1. [1 М. Корольков. «Архитекты Трезины». Журн. «Старые годы», 1911, апрель, стр. 21, 22.]
Строитель и дальше со скрупулезной точностью сообщает Петру о выполненных работах.
Перестройка Петропавловской крепости в камне продолжалась вплоть до 30-х годов XVIII века. Так, «больверк Петра Первого, - пишет А. И. Богданов, - зачат строить каменным зданием в 1717 году» 1. [1 Г. Богданов. Историческое, географическое и топографическое описание Санктпетербурга от начала заведения его, с 1703 по 1751 год. СПб., издание Василия Рубана, 1779, стр. 37.]
После смерти Петра I строительство крепости не Приостанавливалось. 15 июня 1725 года был заложен в камне бастион Нарышкина, с этого дня переименованный в Екатерининский. В 1731 году на этом бастионе соорудили, очевидно по проекту Д. Трезини, павильон с флагштоком. На нем с 19 января 1739 года начали поднимать государственный флаг.
По свидетельству историка, «с начала сея крепости, когда оная была земляным зданием построена, тогда сей флаг городовой подымался на больверке Петра Великого. Но когда оный в 1711 году зачат строится каменный, тогда оный флаг перенесен был на Трубецкой больверк; а потом, когда построился больверк святой Екатерины, тогда на оном вышеописанный павильон сделан и на нем флаги стали подыматься непрестанно» 2. [2 Там же, стр. 45.]
7 февраля 1728 года Петр II издал указ об окончательной отделке Санкт-Петербургской крепости. Мартовский номер «Санкт-Петербургских ведомостей» этого года извещал, что строительство производится под непосредственным наблюдением военного инженера графа X. А. Миниха «с великим поспешествованием».
В этом же году закончилась постройка каменного Зотова бастиона, заложенного еще в 1707 году. На задержавшемся постройкой Меншиковом бастионе 7 мая 1729 года происходила церемония закладки повторно, и бастион стал называться Петровским в честь Петра II. В 1730 году строившийся в камне бастион Головкина был переименован в Аннинский, по имени императрицы Анны Иоанновны. В этом бастионе было возведено оборонительное сооружение в виде подковообразного двухэтажного кирпичного здания, возвышавшегося над стенами крепости, - кавальер. Бастионы, ориентированные на север, на внешних углах имели дополнительные каменные заслоны - так называемые орельоны. В подножьях орельонов были потайные ходы. Через них солдаты крепостного гарнизона могли выйти из крепости и атаковать противника с тыла в случае рападения на крепостные ворота.
Стены крепости возвышались над Невой на 12 метров.
В 1730-х годах на западной и восточной оконечностях Заячьего острова под руководством инженера X. А. Миниха были возведены два равелина - треугольные сооружения для прикрытия куртин и для лучшей обороны подходов к воротам крепости. Для прикрытия угловых бастионов возвели контргарды. Равелины и контргарды отделялись от крепости рвами, наполненными водой. От Невы и пролива рвы перекрывались плотинами с решетками, так называемыми батардами. Теперь к Петровским и Васильевским воротам можно было попасть только по подъемным мостам.
Судя по надписям на закладных камнях, восточный, Иоанновский равелин был заложен 20 июня 1731 года, а западный, Алексеевский равелин - 20 июня 1733 года. Они названы в память отца и деда императрицы Анны Иоанновны.
От Иоанновских ворот (ворот в Иоанновском равелине) к Троицкой площади был построен первый в Петербурге мост. Он имел подъемный пролет. К мосту вела дамба.
Кроме Иоанновских крепость имела Петровские ворота на восток, Васильевские - на запад, Невские - па юг, к реке, Никольские и Кронверкские - на север. За исключением Петровских, все ворота «строением простые и никаких орнаментов или украшений не имеют».
На Иоанновских воротах стоит дата - 1740 год. Это год окончания строительства Петропавловской крепости в камне.
Перестройка крепости в камне повлекла за собой коренную реконструкцию кронверка. Новый проект был разработан графом П. И. Шуваловым и утвержден в 1737 году. Частично его осуществили после серьезных поправок, внесенных в проект инженером И. А. Ганнибалом, участником перестройки стен крепости. В кронверке были выстроены пороховой погреб, гауптвахта и дом для офицеров.
В самой крепости также шло интенсивное строительство. К 1733 году было закончено сооружение и отделка каменного Петропавловского собора. К концу 1740-х годов перед его южным фасадом сформировалась официальная площадь, ограниченная с запада Обер-комендантским домом, с востока - Инженерным домом и с юга - зданием гауптвахты. В те же годы на северном берегу канала строится одноэтажное здание тайной канцелярии, а в 50-е в северо-западной части крепости - одноэтажные Обер-офицерский и Плац-майорский дома.
Почти с первых лет существования Петропавловская крепость была не только местом нахождения гарнизона, но использовалась и как тюрьма. В сентябре 1717 года в казематы крепости были брошены 22 мятежных матроса и младших морских чина с корабля «Ревель». В 1718 году в Трубецкой бастион был заключен сын Петра I - Алексей, на которого опирались реакционные силы, сопротивлявшиеся преобразованиям Петра I. В августе 1725 года в крепость был заточен Иван Тихонович Посошков - один из образованнейших людей России начала XVIII века, первый русский экономист, автор «Книги о скудости и богатстве».
Были и другие заключенные на всем протяжении XVIII века.
В середине XVIII века на территории Алексеевского равелина была построена секретная тюрьма - одноэтажное деревянное здание.