Николаевский дворец строился в период 1853-1861 г.г. для третьего сына императора Николая I — Николая Николаевича, которому к началу строительства исполнилось всего лишь 22 года. С рождения великий князь был сразу записан в гвардейский саперный батальон, а в возрасте 47 лет Николай Николаевич имел высший армейский чин генерал-фельдмаршала. Однако, нужно отметить, что с ранних лет воспитывался великий князь в довольно жестких условиях и это выработало в нем положительные черты, которые пригодились ему и в инженерном деле, которое он любил и в кавалерийской службе. Когда Николаевский дворец начал уже строиться, Николай Николаевич был послан для участия в Крымской войне 1854 года. В Севастополь он прибыл в октябре и принял участие в Инкерманском сражении, где руководил инженерными укреплениями батарей на разных участках фронта.
Строительством дворца для великого князя занимался знаменитый архитектор Андрей Иванович Штакеншнейдер, устроив кроме всего прочего на территории крытый манеж на конных соревнований, домовую церковь в честь иконы «Всех скорбящих радость», флигеля для прислуги. При закладке дворца в основание положили медную досочку с памятной надписью и шкатулку-ковчег с золотыми и серебряными монетами. Во время Крымской войны строительство дворца заморозилось, и возобновилось в 1856 году. Этот год также интересен тем, что Николай Николаевич женился на внучке Павла I, принцессе Ольденбургской Александре Фредерике Вильгельмине, которая перешла в этом же году в православие с именем Александра. Однако брак был несчастливым, и в 1880 году Александра Петровна навсегда уехала в Киев, где основала Покровскую монашескую общину в районе Лукьяновки и приняла монашеский постриг с именем Анастасия. На территории Покровского женского монастыря устроили лечебницу, больницу для неимущих, бесплатную аптеку, приют для сирот-девочек, училище для девочек, приют для слепых и богадельню. По смерти Александра Петровна была канонизирована как местночтимая святая под именем Анастасии Киевской.
Дворец не принес счастья Николаю Николаевичу, который фактически стал жить с конца 1860-х с балериной Мариинского театра Екатериной Числовой, родившей ему 5 детей. С законной супругой Александрой Петровной родилось 2 мальчиков -Николай и Петр, впоследствии ставших генералами. Брак был обречен изначально, потому что Великая княгиня и Великий князь были слишком разными людьми, петербургское общество цинично отвергало благотворительные старания Александры Петровны, а Николай Николаевич и вовсе со временем стал считать ее «юродивой» и проявляющей неуместную активность. Наверное, этот брак был и неугоден Богу, потому что Великий князь Николай Николаевич приходился супруге Александре Петровне двоюродным дядей.
Дворец не смог стать родовым гнездом для потомков Николая Николаевича. К моменту его смерти было накоплено уже большое количество долгов. И после смерти Великого князя в 1894 году дворец отошел в введение Департамента Уделов, ведавшего имуществом императорской семьи. В итоге, указом императора в Николаевском дворце был устроен Ксениинский женский институт для полу сирот. После перестройки здания под институт в нем появились жилые помещения для преподавателей, учебные классы и сцены для спектаклей. Из манежа сделали спальни, а из конюшни столовую. Специализациями воспитанниц было рукоделие и бухгалтерия. На церемонии открытия института присутствовал Николай II.