Zur Bauzeit des Schlosses wurden auch die sentimentalen Gartenpartien westlich des Schlosses angelegt und die Holländische Küche (1894), das Kastellanhaus und im Osten der Insel die Meierei errichtet. In der Zeit wurden einige Pfauen, die der Insel schon 1795 den Namen gegeben hatten, angesiedelt.
Nachdem das Schloss seit 1797 dem Sommeraufenthalt Friedrich Wilhelms III. diente, wurde 1803-04 das auf Entwürfe Friedrich Karl Krügers zurückgehende Kavalierhaus erbaut. 1802 erweiterte er die Meierei um einen Pferde- und einen Rinderstall. Als Mitte der 1820er Jahre die Wasserversorgung der Gärten geregelt und Fontänen in Betriebe genommen werden sollten, kam 1824-25 das Dampfmaschinenhaus hinzu.
Die Baumaßnahmen am Ende der 20er Jahre standen unter der Verantwortung Karl Friedrich Schinkels. 1829 lagerte er der Südseite des Kavalierhauses eine vom König in Danzig erworbene Fassade eines spätgotischen Bürgerhauses vor. 1829-30 wurde entsprechend seiner Pläne von Albert Dietrich Schadow ein Gärtnerhaus im Schweizer Stil errichtet. 1829-31 entwarf Schinkel das berühmte Palmenhaus (1880 abgebrannt), ein beheiztes mit Holz verstrebtes Glashaus von 34 Meter Länge und 14 Meter Höhe, das die Sammlung von Palmen aufnahm, die der König in Paris ankaufen ließ. Zur selben Zeit wurde auch die aus Sandstein bestehende Säulenfront des von Heinrich Gentz für den Charlottenburger Schlosspark geschaffenen Mausoleums der Königin Luise in die Nähe der Meierei versetzt.
Mit der gärtnerischen Gestaltung der Pfaueninsel war seit 1821 Peter Joseph Lenné betraut, dem der Hofgärtner der Insel, Ferdinand Fintelmann, zur Seite stand. Noch im selben Jahr wurde der Rosengarten als erster seiner Art in Preußen am Südende der großen Schlosswiese angelegt. Friedrich Wilhelm III. war ein Rosenliebhaber und hatte 1821 die umfangreiche Rosensammlung des Arztes Dr. Böhm erworben.
Während der westliche Bereich der Pfaueninsel von Blumengärten und Anpflanzungen geprägt war, blieb der östliche Teil mit der Meierei dem landwirtschaftlichen Bereich vorbehalten. Das Zentrum der Insel bildete eine Art Menagerie, für die Friedrich Wilhelm III. eine ausgewiesene Vorliebe besaß. 1832 konnten hier 847 Tiere aus fremden Ländern, darunter Rentiere und Bären, gezählt werden. 1842 wurde die Menagerie der neugegründeten Zoologischen Gesellschaft Berlins übereignet.
Die Pfaueninsel ist heute ein öffentlich zugänglicher Landschaftsgarten. Die historische Ausstattung des Schlosses ist weitgehend erhalten geblieben und kann besichtigt werden.
