Katariina I-le pühendatud hilisbarokse Itaalia villatüübist lähtuva lossi kavandas 1718. a Itaalia arhitekt Nicola Michetti. Nurgakivi lossile pandi 1720. a , lossi ehituslikud viimistlustööd lõpetati 1729.a. Natuke varem valmisid tiibhooned mõlemal pool lossi, mis olid ette nähtud kammerhärrade ja kammerneitsite majutuspaikadeks. Peale Peeter I surma jäi loss riigivalitsejate suveresidentsiks, olles Eestimaa kuberneri ülevaatuse all. 1921-1928 tegutses lossis Eesti Kunstimuuseum; 1929 muudeti loss riigivanema suveresidentsiks; 1946-1991 oli loss Eesti Kunstimuuseumi peahoone; 22. juulil 2000 avati lossis Kadrioru kunstimuuseumi vanemale Lääne-Euroopa ja Vene kunstile pühendatud Eesti Kunstimuuseumi filiaal.
1782. a., mil lossiarhitektiks oli Johann Schultz, lammutati senine, 1754. a. Pärinev puust köögimaja, jättes alles vaid kivist südamiku koldealuste ja leivaküpsetusahjudega. Uue pikliku, kelpkatusega kivihoone väline krohviviimistus oli veel barokkstiilne, nagu ka aknaavadesse paigaldatud väikeseruudulised aknad. Praeguse välisilme andnud ümberehitus toimus aastal 1828. Senine kelpkatus, millest ulatus välja kuus korstnapiipu, asendati mansardkorrusega, mis on analoogne külalistemajaga. XX sajandil kortermajana kasutatud hoone kohandati pärast mansardkorruse põlengus hävimist Eesti Kunstimuuseumi filiaaliks. 1996 avati siin Johannes Mikkeli kunstikogu muuseum.
Keiser Nikolai I poolt 1.08.1828 kinnitatud, Peterburi arh. Meieri projekti kohaselt ehitati lossi väravasse hilisklassitsistliku kujundusega uus vahimaja puithoonena kivisoklil. Puusepatööd, sealhulgas dooria orderis karniisi, pilastrid ja akende raamistused, tegid Tallinna puusepatsunfti meistrid. 15.11.1828 oli hoone valmis ja sisustatud. Vahimajas oli eeskoda, kolm tuba, pööning ja kaks käimlat. 1881 ehitati uue vahimaja taha kahekorruseline valvurite elamu, milles 10 tuba 10 valvurile. 90ndatel demonteeriti amortiseerunud vahimaja Eesti Kunstimuuseumi algatusel ja ehitati arh. Katrin Etverki projekti järgi uuesti üles. Siin paiknevad pargiajalooline raamatukogu ja Kadrioru pargi muuseum.
Kadrioru lastepargi paviljon on ehitatud 1936-37. a. arhitektide Villem Seidra ja Alar Kotli projekti järgi. Lastepark kavandati riigivanem Konstantin Pätsi ja tema venna, riigiparkide valitsuse juhi Peeter Pätsi isiklikul kureerimisel. Ehitamisel kasutati varasemate pargirajatiste lammutamisel üle jäänud materjale ja detaile, s.h. alumises aias asunud galeriide puitsambaid. Hoones paiknesid kõrvalasuvaid välibasseine ja talvist liuvälja teenindavad riietusruumid, spordivahendite laenutus ja puhvet. Saalis korraldati ka kontserte ja näidati filme. Nõukogude ajal oli hoone spordikooli käsutuses, 21. sajandi alguses jäi enamik sellest tühjaks, vaid saalis tegutses tantsustuudio. 2008-2009.a. paviljon restaureeriti ja kohaldati lastemuuseumiks Miia Milla Manda.
Eesti riigipea oli kuni 1937. Aasta põhiseaduse jõustumiseni riigivanem, hiljem riigihoidja. Uue põhiseadusega loodi Vabariigi Presidendi ametikoht ja tema teenindamiseks asutati Vabariigi Presidendi Kantselei. Valitsus otsustas 1930-ndatel aastatel ehitada Eesti riigipeale ametihoone tema tolleaegse residentsi, ajaloolise Kadrioru lossi vahetusse lähedusse. Neil aastail uuendati ka vana Kadrioru park. Vabariigi Presidendi Kantselei hoone valmis 1938. Aastal, projekteeris arhitekt Alar Kotli. Neobarokne hoone asub sümmeetriliselt Kadrioru lossi teljel ja on ansamblis lossile kui peahoonele allutatud osis. Kantseleihoone ehitamisega likvideeriti uue maja tagant barokne tiik, mille asemele rajati roosiaed. Kantseleihoone keskosa oli mõeldud bürooks, taanduvad tiivad aga kantselei töötajate ametikorteriteks. Presidendi ametihoone algne välis- ja sisekujundus on tänase päevani suuresti säilinud. Nõukogude okupatsiooni ajal (1940-41, 1944-91) asus majas Ülemnõukogu Presiidium ja Saksa okupatsiooni ajal (1941-44)oli hoone Eestimaa kindralkomissari käsutuses. 1992. aastast on hoone Eesti Vabariigi Presidendi ametlik residents. Presidendi olekust riigis annab märku hoonel lehviv Vabariigi Presidendi lipp.
Kadrioru pargi peasissepääsuks olnud, Liiva oja ületanud silla kõrval paiknes lustlaga kohakuti algne puidust vahimaja. Selle parandamist ei peetud 1776 enam võimalikuks. Lossiarhitekt Johann Schultzi projekti järgi ehitati uus, kivist vahimaja. See oli ühekorruseline, kelpkatusega ja sisaldas ruume ohvitseridele ja sõduritele, kööki, kartserit ning käimlat. Fassaadi ilmestas katustatud kaaristu. 1830. a. kohandati hoone Peterburi arh. Meieri projekti kohaselt külalismajaks. Säilisid senised müürid, kuid kaaristu asemele paigaldati tahulised piilarid, kiviosale ehitati peale puidust mansardkorrus, oja äärde kiviterrass. Eelmisel sajandil restaureeriti Eesti Kunstimuuseumi algatusel maalirestauraatorite tööruumideks. Praegusel ajal on hoone kasutusel kohvikuna.
Aastail 1724-25 ehitati Peeter I soovil arhitekt Mihhail Zemtsov´i jooniste järgi Liiva oja kaldale kaks puhkemajakest ehk lustlat. Alles on neist lõunapoolsem. Seose barokkstiiliga andsid krohvkattega palkhoonele krohvkvaadrid ning kõrge kaheastmeline katus. Majake sai arh. Meieri projekti (1828) järgi klassitsistliku viimistluse, uued uksed, aknajaotuse, varikatused ning kiviterrassi oja äärde. Taastati 1971-74 Eesti Kunstimuuseumi algatusel graafika restauraatorite töökojaks. Praegu kasutusel Kadrioru pargi infopunktina.
Peeter I Majamuuseum asub 17. sajandist pärinevas ja 1804 ümber ehitatud Drentelni suvemõisapeahoones. Suvemõis osteti keisrile 1714. aastal. Vanaks paleeks nimetatud hoones asuv majamuuseum töötab siin 1806. aastast. Majamuuseumis saab näha Peeter I-le kuulunud mööblit ja esemeid, samuti ajastutruud mööblit, Peeter I paraadportreed ja teiste Venemaa valitsejate portreid. Nüüdse peasissekäigu vastas üle tänava asus majandushoov tallide ja tõllakuuriga.