Bald nach 1750 sah sich Maria Theresia wiederum gezwungen, einen weiteren Ausbau des Schlosses in Angriff zu nehmen, dessen Planung und Ausführung von 1753–1763 ausschließlich in den Händen Pacassis lag. Durch das stete Anwachsen der kaiserlichen Familie und den damit verbundenen Bedarf an Räumlichkeiten wurde nun auch der Einbau eines Zwischengeschosses im westlichen Seitenflügel realisiert. Nachdem nun durch diesen baulichen Eingriff auch die Symmetrie am Außenbau hergestellt war, konnte die Fertigstellung der Fassaden in Angriff genommen werden. Die Gemälde des Schlosses Schönbrunn von Bernardo Belotto – genannt Canaletto – aus den Jahren 1759/60 zeigen die Hof- und Gartenfassade in ihrer kleinteiligen Gliederung und mit überaus reichem Fassadendekor, ein Erscheinungsbild, das die ehemalige Schönbrunner Fassade als bedeutendes Beispiel des Rokoko auszeichnet. Die Arbeiten der zweiten Umbauphase ab 1753 bis in die Mitte der 1760er Jahre beschränkten sich nicht nur auf räumliche Erweiterungen in den Obergeschossen des Hauptgebäudes und der Außenanlagen, sondern schlossen auch die Ausstattung der Repräsentationsräume mit ein. Die Große Galerie wurde analog zu der bereits in der ersten Ausstattungsphase gewölbten und mit einer Stuckmarmorfassung versehenen Kleinen Galerie ebenfalls gewölbt. Die ursprüngliche Trennung der beiden Festsäle mit Glastüren wurde zugunsten einer Raumzusammenführung aufgegeben und mit einer prunkvollen Stuck- und Freskoausstattung vereinheitlicht, die sie als eine der bedeutendsten Rokoko-Raumschöpfungen auszeichnen. Die Fresken wurden von Gregorio Guglielmi zwischen 1755 und 1761 ausgeführt, 1761/62 erfolgte die Stuckausstattung durch Albert Bolla. Auch die gartenseitigen Räume wurden zum Großteil im typischen Rokoko-Dekor mit überaus verspielten Formen, sogenannten Rocaillen, mit Spiegeln und wandfesten Gemälden ausgestattet. Eine besondere Aufmerksamkeit verdienen die weitgehend privaten Räume der Beletage, die neben ihrer luxuriösen Ausstattung auch Zeugnis von der Vorliebe Maria Theresias für die Kunst Ostasien – Porzellan, Lacke und Seidenstoffe - und für Chinoiserien ablegen. So entstanden im Zuge der Neuausstattung der Großen und Kleinen Galerie auch die beiden daran angrenzenden Chinesischen Kabinette (1754 – 1759) sowie das Porzellanzimmer und das sogenannte Millionenzimmer (1763 – 1765). Nach dem plötzlichen Tod Kaisers Franz I. Stephan im Jahre 1765, der Maria Theresia besonders schwer traf, folgte eine neuerliche AusstattungsperiodeDie verwitwete Kaiserin ließ das Arbeitszimmer (Retirade) ihres Gemahls im Ostflügel als Memorialraum einrichten und scheute keine Kosten, diesen als außergewöhnliches Ensemble mit kostbaren chinesischen Lacktafeln, mit einer wertvollen Holzvertäfelung und darin eingelassenen Gemälden berühmter Maler sowie mit prunkvollem Mobiliar ausstatten zu lassen, das sich bis heute erhalten hat. Im Erdgeschoß ließ Maria Theresia zwischen 1769 und 1777 drei Appartements mit jeweils mehreren Räumen vom böhmischen Maler Johann Wenzel Bergl mit Landschaftsmalereien ausstatten. Sie selbst erhielt dabei ein privates, an der Gartenseite des Schlosses gelegenes (Sommer-)Appartement, zumal es ihr im Hochsommer in der Beletage zu heiß war und sie darüber hinaus auch das gemeinsame Schlafzimmer nach dem Tod des Kaisers nicht mehr benutzen wollte. Weiters erhielten ihre am Wiener Hof (noch) verbliebenen unverheirateten Kinder Maria Elisabeth und Maximilian Franz jeweils ein ebenfalls mit diesen Landschaftsmalereien ausgestattetes Appartement.
Diese sogenannten Bergl-Zimmer zeichnen sich durch die - großteils exotischen -Landschaftsmalereien aus, die sämtliche Wand- und Wölbeflächen überziehen und einzigartige Beispiele für Illusionsmalerei darstellen. Als letztes Projekt nahm die Kaiserin in den 1770er Jahren die Ausgestaltung des Gartens unter der Leitung des Hofarchitekten Johann Ferdinand Hetzendorf von Hohenberg in Angriff, der dem Schönbrunner Park mit der Errichtung der Gloriette, des Neptunbrunnens, der Römischen Ruine und des Obeliskenseine architektonischen Akzente verlieh. Zudem wurden die Alleen, Brunnen und Plätze mit zahlreichen antiken Statuen und Skulpturen, ausgeführt von Wilhelm Beyer und seiner Werkstatt, bereichert. Die Umgestaltung des Schlosses und des Gartens kam erst kurz vor dem Tod Maria Theresias 1780 zum endgültigen Abschluss. Wie Maria Theresia bereits in einem Brief an ihre Tochter Marie Antoinette besorgt geäußert hatte, zeigte ihr Sohn Kaiser Joseph II. für die Sommerresidenz Schönbrunn kaum Interesse und verfügte lediglich: „in Schönbrunn soll alles in dem Stand, wie es dermalen ist, bis jetzt annoch belassen werden.“ Er ließ die notwendigen Erhaltungsarbeiten durchführen, darunter die Neueindeckung der Kavaliertrakte seitlich des Ehrenhofes mit Walm- anstelle der Flachdächer, um den Witterungsschäden vorzubeugen.
L’histoire de Schönbrunn et des bâtiments d’origine remonte au Moyen Âge. Depuis le début du XIVe siècle, la propriété, qui s’appelait alors « Katterburg » (= le nom du lieu), faisait partie du fief de l’abbaye de Klosterneuburg. On y exploitait un moulin et sur les terres, on pratiquait l'agriculture et la viticulture. Dans les siècles qui suivirent, la propriété vit se succéder de nombreux occupants, parmi lesquels, en 1548, le bourgmestre viennois Hermann Bayer, qui fit agrandir la construction et la transforma en un manoir. En 1569, la propriété fut achetée par Maximilien II et passa ainsi aux mains des Habsbourg. Aux termes du contrat de vente, le domaine comportait une maison, un moulin, une étable, un jardin d’agrément et un verger. Maximilien s'intéressa principalement à l'agrandissement du parc animalier,essentiellement destiné à l'élevage de la volaille et du gibier autochtone. Dans la faisanderie, on trouvait aussi de la volaille exotique comme de paons et des dindes. Après la mort soudaine de Maximilien II en 1576, Rodolphe IIhérita de la Katterburg, mais il se contenta de pourvoir à son entretien sans jamais y venir. La propriété ne fut utilisée que par son successeur, l'empereur Matthias, qui aimait chasser sur ses terres. La légende raconte que lors d’une de ses parties de chasse en 1612 il découvrit le « Schöner Brunnen », (la belle fontaine) qui allait donner son nom au domaine. Son successeur, l'empereur Ferdinand II et son épouse Éléonore de Gonzague, tous deux chasseurs passionnés, choisirent eux aussi la Katterburg pour organiser leurs parties de chasse. À la mort de Ferdinand, en 1637, sa veuve décida d'en faire sa résidence de veuvage, où, en amoureuse des arts, elle mena une vie sociale très active pour laquelle elle avait besoin d'un cadre architectonique représentatif. C'est pourquoi, aux environs de 1642, elle fit ériger un château de plaisance et changea le nom du domaine en « Schönbrunn ». Ce nom est évoqué pour la première fois dans un document officiel datant de cette année. En 1683, Schönbrunn, avec son château de plaisance et le parc animalier, subit les ravages du deuxième siège de Vienne par les Ottomans. Suite à quoi, l’empereur Léopold Ier, propriétaire depuis 1686, décida de léguer Schönbrunn à son fils Joseph, futur héritier du trône et de reconstruire en cet endroit un nouveau château de prestige. Lorsque, par l’entremise de ses relations aristocratiques, Johann Bernhard Fischer von Erlach, qui avait reçu une formation d’architecte à Rome, arriva à la Cour impériale, en 1688, celui-ci présenta à l'empereur le projet « Schönbrunn I » destiné à faire valoir ses capacités et à éveiller l'intérêt du monarque. Fischer se vit ainsi nommé professeur d'architecture de l'héritier du trône en 1689 et réussit à devenir par la suite l'architecte le plus sollicité par la Cour et la noblesse.
En 1693, l’empereur Léopold Ier avait chargé Johann Bernhard Fischer von Erlach d’élaborer les plans concrets d’un pavillon de chasse. La construction démarra en 1696, en partie sur les soubassements du château de plaisance de l'impératrice douairière Éléonore de Gonzague, détruit par les Ottomans. Au printemps 1700, la partie centrale du château était achevée et prête à accueillir ses hôtes. Mais lorsqu’en 1701 éclata la guerre de succession d’Espagne, entraînant de lourds problèmes financiers, la construction des ailes latérales dut être gelée. Puis, à la mort inopinée de Joseph Ier, les travaux furent définitivement arrêtés. Fischer von Erlach fut non seulement chargé de dessiner les plans du château, mais aussi de surveiller personnellement les travaux de construction. On suppose que c'est cette tâche importante et représentative qui lui a valu l'attribution de la particule nobiliaire « von Erlach » par l'empereur Léopold Ier. Contrairement au premier projet, passablement utopique, qui prévoyait de généreuses rampes d'accès, des colonnades et des jeux d'eau depuis le fleuve Wien jusqu'au château planté au sommet de la colline, le pavillon de chasse fut érigé au pied de la colline. L'ensemble était déterminé par l'axe central, en concordance avec les règles de construction des châteaux baroques. Le corps compact, doté d'un perron monumental devant l'avant-corps central, était flanqué de deux ailes latérales, destinées aux écuries de la Cour. Ces bâtiments encadraient une cour d'honneur, limitée au nord par le porche aux obélisques couronnées d'un aigle et de groupes d'Hercule. Les salles d'apparat du pavillon de chasse se trouvaient du côté de la cour d'honneur, tandis que les appartements privés de Joseph Ier étaient situés côté jardin dans l'aile occidentale du château. L'aile orientale était réservée aux invités. Ce n'est probablement que plus tard qu'on projeta la construction d'un escalier donnant accès aux appartements de l'impératrice. Le château inachevé servit ensuite de résidence de veuvage à Wilhemine Amélie. En 1728 l'empereur Charles VI reprit Schönbrunn, mais il ne s'y rendait que pour tirer des faisans. Il finit par léguer la propriété à sa fille Marie-Thérèse qui avait depuis toujours une prédilection pour ce château et les jardins alentours. Durant le règne de Marie-Thérèse, Schönbrunn connut une époque de gloire. Le château devint le centre de la vie de Cour et de la vie politique. Sous influence personnelle de Marie-Thérèse et sous la direction de Nicolò Pacassi, l'ancien pavillon de chasse de Joseph Ier fut transformé et agrandi pour devenir une résidence d'été.
On commença par agrandir les appartements impériaux dans l'aile orientale, qui furent complétés de salles d'audience et d'habitation pour Marie-Thérèseet François Stéphane Dès 1746, les appartements étaient prêts à être emménagés. Le couronnement de François Stéphane de Lorraine comme empereur romain germanique à Francfort en 1745 donna une impulsion supplémentaire au projet. Dorénavant, Schönbrunn, devenu résidence d'été impériale, devait être l'expression du prestige impérial. Un an auparavant, en 1745, eut lieu l'inauguration de la chapelle du château. Bien que remodelée, elle avait gardé la structure et l'articulation spatiale du concept de Fischer von Erlach. La transformation de l'aile orientale alla de pair avec la création des deux cours intérieures ainsi qu'avec la construction de l'escalier dit de la chapelle donnant accès à l'étage noble et aux appartements impériaux. En 1746, le perron central côté cour d'honneur, conçu par Fischer von Erlach, fut démoli pour faire place à un vaste vestibule au rez-de-chaussée de l'avant-corps central et permettre l'installation de la grande et la petite galerie à l'étage noble au-dessus. Pacassi érigea en même temps un escalier de prestige,l'escalier bleu dans l'aile occidentale, sans détruire les murs existants conçus par Fischer von Erlach ni les fresques du plafond, réalisées par Sebastiano Ricci en 1702/03. Par la suite, comme la famille impériale s'était agrandie, il fallut procéder à une nouvelle modification architecturale dans l'aile orientale. En 1748, entre l'étage noble et le premier étage, on construisit un étage en mezzanine pour loger les enfants impériaux et leur Cour. Les deux galeries dans l'aile centrale du château servaient aux festivités, la grande aux fêtes pompeuses, la petite aux fêtes de famille en cercle restreint. À l'époque, les deux salles de fête étaient encore dépourvues de leur riche décoration en stuc et des fresques de plafond. Lors de manifestations privées, on pouvait accéder directement à la grande galerie en empruntant les nouveaux escaliers d'honneur en arc de cercle. Mais quand il s'agissait de manifestations officielles, les invités devaient parcourir un assez long trajet et faire antichambre depuis l'escalier bleu jusqu'aux salles d'audience du couple impérial dans l'aile orientale, comme l'exigeait l'étiquette de la Cour. Parmi les transformations effectuées à cette époque, citons encore Forare les arcades reliant le château aux ailes latérales bordant la cour d'honneur, appelées ailes des cavaliers qui servaient de logement au personnel haut gradé de la Cour. On construisit ensuite de vastes communs dans la direction de Meidling – ainsi que l'orangerie du côté de Hietzing. Ces dépendances étaient devenues indispensables depuis l'utilisation du château comme résidence, ce qui supposait la présence de toute la Cour et exigeait une organisation domestique correspondante. Notons que Schönbrunn devait assurer l'hébergement et l'approvisionnement de plus de 1000 personnes. À la demande expresse de Marie-Thérèse, on érigea un théâtredans l'aile nord qui fut inauguré solennellement en 1747. On y vit entre autres chanter et jouer les nombreux enfants de l'impératrice. Marie-Thérèse elle-même s'illustrait depuis sa jeunesse comme chanteuse de talent.
Peu après 1750, Marie-Thérèse se vit à nouveau forcée de mettre un nouveau projet en chantier. Elle confia à Pacassi le soin exclusif de projeter et exécuter les travaux qui durèrent de 1753 à 1763. Suite à l'agrandissement constant de la famille impériale et le besoin d'espaces qui y était lié, on entreprit de construire un entresol dans l'aile occidentale. Cette mesure ayant rétabli la symétrie de la construction extérieure, la finition des façades put enfin être mise en œuvre. Les tableaux exposés à Schönbrunn, exécutés par Bernardo Belotto – dit Canaletto – dans les années 1759/60, montrent les anciennes façades côté cour et côté jardin finement structurées et richement décorées qui constituaient un magnifique exemple du style rococo. La deuxième tranche de travaux, de 1753 à 1765, consista non seulement à agrandir l'espace aux étages du corps central et à étendre le parc, mais également à aménager les salles d'apparat. La grande galerie fut décorée à l'image de la petite galerie, déjà dotée de voûtes et de supports en marbre factice lors de la première phase de transformation. La séparation d'origine des deux salles de fête par des portes vitrées fut supprimée ; les deux salles furent réunies et somptueusement décorées de stuc et de fresques de manière à créer une unité. Elles constituent l'un des plus marquants espaces d'architecture rococo. Les fresques ont été réalises par Gregorio Guglielmi entre 1755 et 1761 et furent complétées en 1761/62 par la décoration en stuc d'Albert Bolla. Les salles côté jardin furent elles aussi décorées dans le style typique du rococo avec des formes enjouées, appelées rocailles, des miroirs et des peintures murales. À l'étage noble, les salles utilisées principalement pour des besoins privés, méritent une attention spéciale : luxueusement aménagées, elles témoignent aussi de l'engouement de Marie-Thérèse pour l'art d'Asie orientale – pour les porcelaines, les travaux de laque, les tissus de soie et les « chinoiseries ». Les deux cabinets chinois attenants (1754 – 1759) ainsi que le salon des porcelaines et le salon du million (1763 – 1765) furent réalisés dans la foulée de la transformation de la grande et de la petite galerie. Après la mort inopinée de François Stéphane Ier en 1765, qui toucha cruellement Marie-Thérèse, celle-ci se lança dans de nouvelles transformations. L'impératrice veuve fit aménager le cabinet de travail (la retirade) de son époux en salle commémorative. Sans regarder à la dépense, elle l'équipa d'un magnifique ensemble de tableaux chinois laqués, de précieux lambris intégrant des tableaux de peintres célèbres et de meubles somptueux qui ont pu être conservés jusqu'à ce jour. Entre 1769 et 1777, au rez-de-chaussée, Marie-Thérèse fit décorer trois appartements de plusieurs pièces avec de peintures paysagères, réalisées par le peintre de Bohême, Johann Wenzel Bergl. Elle prit un appartement d'été privé du coté jardin, car en plein été la chaleur à l'étage noble lui était insupportable. De plus, après la mort de l'empereur, elle ne voulait plus utiliser la chambre à coucher commune. Ses enfants encore célibataires, Marie-Élisabeth et Maximilien François, qui vivaient à la Cour, reçurent chacun un des deux autres appartements aux peintures paysagères. Les salles dites salles Bergl se distinguent par leurs peintures paysagères, la plupart exotiques, qui couvrent les murs et les voûtes et constituent des exemples uniques d'œuvres en trompe-l'œil. Dans les années 1770, Marie-Thérèse entreprit son dernier grand projet, l'aménagement du parc sous la direction de l'architecte de la Cour Johann Ferdinand Hetzendorf von Hohenberg qui, avec la Gloriette, la fontaine de Neptune, la ruine romaine et l'obélisque enrichit le parc d'accents architectoniques. Des allées, des fontaines, des ronds-points et de nombreuses statues et sculptures, sortant des ateliers de Wilhelm Beyer vinrent compléter l'aménagement du parc. Peu avant la mort de Marie-Thérèse en 1780, la transformation du château et de son parc était enfin achevée. Comme Marie-Thérèse s’en était déjà inquiétée dans une lettre adressée à Marie-Antoinette, Joseph II ne montra que peu d’intérêt pour la résidence d’été de Schönbrunn et se contenta d’ordonner : « qu'à Schönbrunn, tout reste en l'état actuel ». Il fit exécuter les travaux d'entretien nécessaires, en remplaçant notamment les toits plats des ailes des cavaliers le long de la cour d'honneur par des toits en croupe pour les protéger des intempéries.