Домик Петра I является первым гражданским сооружением, построенным с момента основания Санкт-Петербурга. Строили его с 24 по 26 мая 1703 года специально для государя из тёсаных сосновых брёвен на самом берегу Невы, которая в то время подступала к этому месту.
Из рукописи, опубликованной журналом "Русский архив" за 1863 год:
25 мая царь приказал вырубить лес и разровнять место около дворца - вверх и вниз по берегу Невы, чтобы поставить шатры и навесы для своих приближённых.
26 мая дворца строение работой окончилось, и около него поставлены были два больших шатра из шёлковой богатой материи персидской работы, а полы устланы коврами. Поставили и другие шатры... [Цит. по 1, с. 19]
Строительством занимались гренадеры Семёновского полка, хотя существует легенда о том, что сам Пётр I собственноручно трудился над этим домом. Существует ещё одна версия, согласно которой домик Петра I строили пленные шведы. Исследовавшая здание Н. В. Четверикова указала на то, что сруб сделан по шведски, рубкой шестиугольником. Он имеет типично скандинавскую планировку: две равные комнаты разделённые сенями. Широкие окна также являются характерными для шведских и норвежских домов и не имеют аналогов в русской архитектуре. Всё это можно было бы объяснить использованием строительного материала из Ниена, но широкие и глубокие разрывы в здоровых брёвнах указывают на использование свежесрубленного и не просушенного леса [2, с. 25, 26].
На крыше были установлены вырезанные из дерева изображения мортиры и двух бомб с "горящим пламенем" - намёк на жилище Петра I имевшего звание капитана бомбардира. Стены выкрасили в красный цвет, под кирпич, поэтому дом называли "красными хоромами". Вплоть до весны 1704 года этот дом оставался единственным гражданским сооружением в городе, после чего рядом стали строиться дома приближённых Петра I.
В 1722 году архитектор Доменико Трезини в доме Петра реставрировал изразцовые печи. А в 1723 году вокруг домика по указанию царя им же была сооружена каменная галерея. На следующий год для защиты от наводнений по периметру выстроили каменную стену. В 1720-х годах домик носил название "старых красных хоромцев, что у двора Романа Вилимовича Брюса в роще", или просто "красных хором".
В 1731 году "красные хоромы" были защищены "от влияния непогод особою постройкою". В 1784 году над ними соорудили каменный чехол в виде галереи [4, а. 482].
Существующий кирпичный футляр домика Петра I был выстроен по проекту архитектора Р. И. Кузьмина в 1844 году. Он оказался необходим в связи с тем, что стропильная система старого футляра давила на кровлю домика из-за своей осадки. Для сохранения единства архитектурного ансамбля Кузьмин применил для футляра стиль, близкий к петровскому барокко. Постройку стала венчать крыша с переломом. Им же предложенное в смете чёрное кровельное железо было заменено белым листовым для единообразия с Летним дворцом Петра I на другом берегу Невы. Для предохранения полов от сырости архитектор предложил сделать весь фундамент из цемента и переложить нижние звенья домика. Так и было делано. Пол между домиком Петра I и футляром был выложен кирпичом в несколько рядов, залит цементом и покрыт асфальтом [3].
Ограждавшая домик деревянная решётка к 1852 году заметно обветшала. Р. И. Кузьминым был выполнен проект железной ограды, которую архитектор предлагал окрасить под бронзу. Из-за дороговизны проекта и по желанию Николаю I вместо железной ограды здесь была устроена живая изгородь из боярышника.
В 1872 году возле домика разбили сад, в котором спустя ещё три года установили бюст Петра I работы П. П. Забелло с модели Н.Ф. Жилле.
Историко-мемориальный музей в домике Петра I начал работать задолго до 1917 года. Но в советской литературе датой открытия музея называется 1930 год. Здесь представлены предметы быта начала XVIII века, личные вещи Петра I. В 1971-1976 годах проходила реставрация здания, при которой были воссозданы раскраска стен, росписи на дверях и наличниках окон. Работы проводились архитектором А. Э. Гессеном и художником Н. Н. Благовещенским.
