В Петровские времена примерно на месте нынешней площади Труда был устроен Каторжный двор. Здесь же в 1790-х годах по проекту архитектора Ф. И. Волкова было построено здание Морских казарм.
В 1840-х годах по проекту архитектора Константина Тона для лейб-гвардии Конного полка (который располагался неподалёку) была построена Церковь во имя Благовещения Пресвятой Богородицы (снесена в 1929 году). Одновременно с церковью через Неву строился мост, названный в честь церкви Благовещенским и благоустраивалась территория площади.

В связи с этим на месте Морских казарм император Николай I распорядился построить парадную резиденцию для своего третьего сына Николая.
Великий князь Николай Николаевич (старший) учился в Кадетском корпусе, службу начал в 1851 г. в Конногвардейском полку, во время Крымской войны 1854-1855 гг. заведовал инженерными работами и укреплениями Севастополя. Член Госсовета, главнокомандующий действующей армией на Балканах во время Русско-турецкой войны 1877-1878 гг.

Автором проекта Николаевского дворца был выбран выдающийся представитель эклектики Андрей Иванович Штакеншнейдер (его помощниками были А. Ланге и К. Циглер, строительство вели архитекторы А. П. Брюллов, К. А. Тон и Р. А. Желязевич). Дворец был заложен в 1853 году, в основание здания был положен ковчежец с золотыми и серебряными монетами, позолоченная медная доска с надписью об этом событии.

Во дворце предусматривались жильё для Николая Николаевича, манеж, конюшни, флигеля для прислуги. Дворец занимал территорию в два гектара и обошёлся казне в более чем три миллиона рублей, церемония открытия и освящения состоялась в 1861 году.
Главная лестница дворца была украшена картинами, анфиладу второго этажа (бельэтажа) открывала Белая гостиная, украшенная лепниной и живописными панно. Были устроены Малая столовая, Китайская гостиная, Розовая гостиная, Танцевальный и Банкетный двусветные залы.
Перед главным фасадом была устроена открытая для просмотра площадка, огороженная ажурной решёткой. В восточной части дворца, со стороны сада, расположилась домовая церковь.
В восточной части Николаевского дворца находились личные апартаменты Николая Николаевича и его супруги Александры Петровны, окна выходили в сад и на Конногвардейский бульвар. В покои можно было попасть через Собственный подъезд со стороны сада. Отсюда можно было пройти в Бильярдную, комнату дежурного адъютанта, Приёмную, Кабинет, Штандартную. Стены помещений украшали изображения любимых лошадей великого князя. Из Кабинета три двери вели на балкон, выходившим в сад, где иногда пел хор. В кабинет каждое утро в 9 часов подавали чай, на котором, кроме супругов присутствовали также личный врач, генерал-адъютанты. В 12 часов Николай Николаевич завтракал в Малой Столовой.
Во дворце великий князь с супругой жили до его смерти в 1890 году. После этого дворец за долги был передан в казну, коллекция, мебель и семейные реликвии были розданы наследникам.
В 1894 году во дворце в ознаменование бракосочетания дочери Александра III великой княгини Ксении Александровны с великим князем Александром Михайловичем был устроен женский институт, названный в её честь – Ксениинским (сами молодожёны поселились неподалёку, во дворце на Мойке, 106, напротив Новой Голландии.

Для института в здании были устроены канцелярия, квартира начальницы института, жилые помещения для преподавателей, учебные классы и дортуары для воспитанниц. Ксениинский институт открылся в 1895 году, на церемонии присутствовал император Николай II.

Ксениинский институт был ниже Смольного института по рангу, здесь обучались “полусироты” из дворянских семей. Учебная программа включала семь классов общего курса и три специальных профессиональных (бухгалтерия и рукоделие). Последний выпуск состоялся в марте 1918 года.

А. И. Куприн в своём «Допросе» так описывал послереволюционную обстановку:
Посаженный в Революционный трибунал, помещавшийся в бывшем дворце великого князя Николая Николаевича Старшего, я мог бы свободно и беспрепятственно осмотреть все его роскошные помещения. Но никогда еще не чувствовал я себя ловко и уверенно, посещая чужие дома, покинутые их настоящими владельцами, хотя бы и много лет тому назад. Мне всегда в эти минуты приходило в голову тревожное ожидание: а вдруг придет сейчас истинный хозяин или его суровый призрак и скажет:
– А ну-ка, милостивый государь и наглый незнакомец! Не угодно ли вам будет немедленно убраться отсюда вон?

 В 1918 г. здание было передано профсоюзным организациям и переименовано во Дворец труда. Внутри было произведена реконструкция для новых нужд профсоюзов, луковка церкви была снесена. Благовещенскую площадь переименовали в площадь Труда.

Во время Великой Отечественной войны здесь располагался госпиталь, перед ранеными выступали артисты и учёные. Здание сильно пострадало от бомбёжек (отреставрировано в конце 1940-х – начале 1950-х годов).

В 1962 году в здании был открыт Дворец культуры Ленинградского областного совета профсоюзов.
В настоящее время Николаевский дворец используется в различных целях, в домовой церкви восстановлены богослужения.