Строительство и на этот раз было развернуто широкое. Камень, кирпич и глину подвозили из окрестных мест на специальных судах; по-прежнему здесь работало много солдат и рабочих, пригнали даже каторжников. Они разравнивали земляные валы, копали котлованы, забивали сваи, выкладывали крепостные стены уже из камня и кирпича. Петр I и на этот раз внимательно следил за ходом строительства, вникая во все детали. Уезжая 10 декабря в Нарву, он оставил подробную записку с распоряжениями, что делать в его отсутствие. В частности, в ней указывалось: «по сошествии льда тотчас кронверк делать с прилежным поспешанием, чтоб к будущему лету совсем отделать. Сей кронверк надлежит делать простыми фланками и орлионами и прочим по образцу укрепить».
Руководил возведением каменной Петропавловской крепости итальянский архитектор Д. Трезини, который еще с 1703 года работал в Санкт-Петербурге. В 1708 году началось возведение каменного бастиона Трубецкого, но в конце августа все строительные работы в крепости пришлось прекратить, так как на Санкт-Петербург двинулся шведский кавалерийский корпус, которым командовал генерал-майор Г. Либекер. Шведам удалось переправиться через Неву приблизительно в 20 милях выше ее дельты, и они собирались атаковать город с юга. Несколько недель крепость находилась в состоянии полной боевой готовности. Сюда были свезены почти все наличные в округе запасы хлеба, к югу от Невы спешно строились дополнительные укрепления, но и на этот раз даже приблизиться к крепости шведам не дали.
Задерживалась и постройка бастиона Меншикова, так как в июле 1706 года в крепости случился большой пожар. Огонь не успел добраться до основных пороховых запасов, которые хранились в деревянных казематах, устроенных внутри земляных стен, иначе бы вся крепость взлетела на воздух.
После смерти Петра I строительство в крепости не останавливалось, и уже в июне 1725 года был заложен в камне бастион Нарышкина, который впоследствии назвали Екатерининским. Петр II тоже стремился закончить каменную крепость как можно быстрее, поэтому в середине июня 1728 года он издал указ об окончательной отделке Санкт-Петербургской крепости. Обер-директором над фортификацией был назначен военный инженер Б.-X. Миних, под руководством которого и достроили каменный бастион Зотова, заложенный еще в 1707 году. В мае 1729 года на Меншиковском бастионе повторно произошла церемония закладки, впоследствии этот бастион переименовали в Петровский — в честь Петра II.
В 1733 году под руководством Б.-Х. Миниха началось с западной стороны крепости сооружение каменного, с воротами в обоих фасах, Алексеевского равелина, который прикрывал Васильевскую куртину. С востока был возведен Иоанновский равелин: оба они отделялись от самой крепости рвами с водой, через которые были переброшены подъемные мосты, подводившие к крепостным воротам.