Здание Большой оранжереи в стиле барокко было возведено в 1721-1724 гг. по проекту архитектора Браунштейна. Перед южным фасадом был обустроен фруктовый сад, а здание оранжереи прикрывало его от холодного ветра с воды.
На зиму в здание ставили померанцевые, лавровые, пальмовые и другие южные растения.
В середине XVIII в. появилась необходимость в увеличении площади павильона. В 1769 г. на месте боковых ризалитов были возведены вместительные оранжереи для выращивания цветов и овощей. Затем к одной из пристроек был добавлен "померанцевый лазарет" для содержания цитрусовых растений. Такие значительные изменения нарушили целостность и выразительность архитектурного облика оранжереи.
Во время реставрационных работ в 1954 г. архитектором Савковым был восстановлен первоначальный облик по чертежу из фонда Эрмитажа.