Петровская набережная является одной из самых старых улиц Петербурга. На набережной был построен знаменитый домик Петра I – по существу первый дом в городе. Тогда он располагался у самого берега Невы, но позднее русло реки было отодвинуто на несколько десятков метров. По соседству с домиком Петра I появлялись и дома его приближенных и сподвижников - А.Д. Меньшикова, М.П. Гагарина, Н.М. Зотова, Г.И. Головкина, Я.В. Брюса и многих других. В тридцатые годы XVIII века, когда было решено переместить центр города на Васильевский остров, эти дома были снесены.
На нынешней Петровской набережной в первые годы существования Петербурга находился первый порт или пристань, так называемый Гагаринский буян (рядом находился дом Гагарина). Здесь причалил первый торговый иностранный корабль. Существует даже предание, что Петр I в роли лоцмана сам провел сюда это судно. Неподалеку от домика Петра I в начале XVIII века находились склады пеньки и льна. Отсюда и название находящейся здесь сегодня улицы – Пеньковая.
В 1893 – 1907 годах был построен Троицкий мост, связавший противоположный берег Невы с Петровской набережной и Троицкой площадью. В начале XX века были осуществлены масштабные работы по благоустройству набережной. Набережную «одели» в гранит, отодвинули русло Невы, устроили центральный спуск к реке. На набережной также установили мифологические скульптуры «Ши-Цза».
Новая набережная сделала Гагаринский буян практически бесполезным для портовой торговли. Однако он простоял здесь еще до тридцатых годов XX столетия, когда пристань была полностью ликвидирована. До революции на Петровской набережной планировалось строительство нескольких важных зданий. Сначала здесь предполагали построить Училищный дом Петра Великого, но в итоге он был построен на Петроградской набережной (сегодня это Нахимовское училище). Потом на берегу Невы хотели возвести новое здание для Городской Думы. Также планировали проложить новую улицу, которая была бы параллельна Пеньковой улице и Петровской набережной. Но оба эти проекта так и не были реализованы.
В XX веке на Петровской набережной появился целый ряд новых зданий: «Дом моряков» (№ 8), построенный для расселения комсостава Народного комиссариата военно-морского флота, дом № 2, где с восьмидесятых годов действовал Дворец бракосочетания, а ныне это резиденция полномочного представителя Президента РФ в Северо-Западном федеральном округе, и др.
