Karl VI.
war selbst an Schönbrunn wenig interessiert, schenkte es jedoch 1740 seiner Tochter Maria Theresia, die das Anwesen zum kaiserlichen Sommersitz erkor, der es bis 1918 blieb. 1741 ließ sie eine durchgängige Allee von Schönbrunn zum Schloss Laxenburg anlegen. 1743–1749 wurde das Schloss Schönbrunn nach Plänen ihres Hofarchitekten Nikolaus von Pacassi, der auch an der Hofburg wirkte, von Baumeister Valmagini entscheidend umgebaut und erweitert: So wurde das Gebäude um ein Stockwerk erhöht; in Ziegel ausgeführte Gesimse und Säulen wurden gegen solche aus Stein ersetzt. Dabei gingen beispielsweise Fresken von Johann Michael Rottmayr verloren. Ebenso ließ sie einen Großteil der Inneneinrichtung erneuern, die heute als fast einziges Beispiel eines österreichischen Rokoko gilt.
Das kaiserliche Hofbauamt bezahlte die Steinmetzarbeiten der Umbauten der Jahre 1750–1752 den Meistern Matthias Winkler, Ferdinand Mödlhammer, Gabriel Steinböck und Johann Baptist Regondi. Regondi aus dem kaiserlichen Steinbruch lieferte aus hartem Kaiserstein vor allem Stufen für die repräsentative Blaue Stiege, die Kapellen-, Schnecken- und Geheimstiege und die große Weiße Stiege, ein stattliches Treppenhaus für den Hofstaat mit steinernem Geländer sowie die gartenseitige Freitreppe.
In einem Seitentrakt des Schlosses befindet sich das Schlosstheater, das 1747 eröffnet wurde und wo unter anderem Joseph Haydn und Wolfgang Amadeus Mozart auftraten. Maria Theresia ließ den Garten erweitern, 1752 die Menagerie und 1763 durch Adrian van Steckhoven den botanischen Garten anlegen.
Um 1765 wurde Johann Ferdinand Hetzendorf von Hohenberg, ein Vertreter des Frühklassizismus, bei Hof eingeführt, doch enthielt sich Maria Theresia nach dem Tod ihres Gemahls sieben Jahre lang größerer baulicher Änderungen. Erst 1772 gab sie solche in Auftrag. Hohenbergs markantestes Werk ist die Gloriette (um 1860 auch „das Gloriett“ genannt). Das Bauwerk ist ein Arkadengang auf dem Hügel oberhalb des Schlosses (auch Schönbrunnerberg genannt), der den Schlossgarten optisch abschließt. Gemeint ist sie als Denkmal für den gerechten Krieg (der zum Frieden führt), an der Stelle, wo nach dem ursprünglichen Plan Fischer von Erlachs das Hauptgebäude entstehen sollte, und nach dem zweiten Entwurf ein Belvedere.
Im Zusammenhang mit dem Bau der Gloriette (1775 bis 1780) gibt es eine Notiz Maria Theresias: „Es befindet sich zu Neugebau eine alte Galerie von steinernen Säulen und Gesimsen, welche nichts nutzet, […] Ich habe beschlossen, solche von dort abbrechen zu lassen und nacher Schönbrunn bringen zu lassen“. Man ließ die Galerie und die Säulen – allesamt aus hochwertigem Kaiserstein – abtragen und Säulen, Bogenlaibungen und Gebälkstücke, auch Stufensteine, für die Gloriette verwenden. 1775 waren die Arbeiten abgeschlossen. Ihre Fassade ist seit Josephinischer Zeit im prototypischen Schönbrunner Gelb gehalten.
Zur selben Zeit wie die Gloriette entstanden auch die römische Ruine und der Obeliskbrunnen, die ebenfalls nach den Plänen von Hohenberg ausgeführt wurden. Von den Bildhauern Benedict Henrici, Johann Baptist Hagenauer und Franz Zächerl wurden die zugehörigen Statuen und sonstiges Beiwerk geschaffen.
