«Petersburg-perioden» i russisk historie (frem til 1917) begynte med at Peter den store i 1713 flyttet hovedstaden, og dermed rikets sentrum, fra Moskva, nordvestover til den nye byen St. Petersburg (grunnlagt i 1703) ved Finskebukta. Samtidig ble en betydelig del av østersjøkysten erobret (Estland og Livland innlemmet i 1710, og definitivt avstått av Sverige ved freden i Nystad i 1721) i forbindelse med den store nordiske krig 1710−21. Keisertittelen (imperator), som Peter tok for seg og sine etterkommere etter den seierrike utgang på krigen, skulle symbolisere Russlands nye stilling som europeisk stormakt.
Peters reformer og tiltak var til dels en videreutvikling av eldre tendenser (reorganisering og omfattende styrking av hæren, sterk øking av jernutvinningen, mangedobling av antallet håndverksbedrifter). Men han skapte også helt nye ting, som f.eks. en russisk krigsflåte (som vant en første seier over svenskene i 1714). På sikt kom det også til dyptgående endringer i statsforvaltningen og samfunnsstrukturen. I 1710 ble riket inndelt i 8 store provinser, guvernementer (de måtte senere deles og omorganiseres). Senatet, som ble dannet i 1711 med begrensede oppgaver, ble litt etter litt den øverste sentrale myndighet. I stedet for Moskva-statens «kansellier» (prikaser) innførte Peter i 1718 en sentralforvaltning basert på «kollegier» med kollegial ledelse etter svensk mønster. Den nye kirkeordningen av 1721 avskaffet patriarkatet (til det ble gjeninnført i 1917) og erstattet det med en «hellig synode» under en statsdirigert legmannsledelse. Rangordningen av 1722 (gyldig til 1917) innførte tre parallelle rangs- eller karrierestiger med 14 trinn hver, for statsforvaltningen, de væpnede styrker og hoffet. Embeter i staten gav arvelig adelskap over et visst trinn, og også den gamle adelen ble pålagt tjenesteplikt.
Peter forsøkte også å fremme utvikling på det kulturelle område: han opprettet et verdslig skolesystem, startet Russlands første avis, moderniserte det gamle alfabetet, gjennomførte en kalenderreform (i kraft til 1917) og grunnla i 1725 det russiske vitenskapsakademi etter engelsk, tysk og fransk forbilde. Men bøndenes avhengighet av godseierne økte, og deres status ble nivellert, ikke minst gjennom overgang til en ensartet koppskatt for alle. Som følge av dette ble todelingen av samfunnet utdypet. På den ene side stod bondestanden, det veldige flertall av folket, som bar nesten alle skattebyrdene og hadde liten rettsbeskyttelse. Bøndene hadde da også reist seg i voldsomme oppstander på 1600-tallet (bl.a. under Stenka Rasin i 1670−71), og gjorde det igjen på 1700-tallet (bl.a. under Jemeljan Pugatsjov i 1773−75). På den annen side stod den privilegerte godseieradelen, som Peter 3 i 1762 befridde fra alle tjenesteforpliktelser, og som kom til å leve sitt patriarkalske liv som før i provinsen og ofte førte en sterkt europeisert tilværelse i sine byresidenser.
Allerede i det gamle Moskva-riket hadde man satset på å verve og tiltrekke seg utenlandske fagfolk, en politikk som Peter den store hadde fortsatt i enda større omfang. Dette var lenge nødvendig på grunn av mangelen på muligheter til å skaffe seg høyere utdannelse i Russland. Sitt første universitet fikk Russland så sent som i 1755 (Moskva), og de to neste (i Kazan og Kharkiv) kom først i hhv. 1804 og 1805. I det russiske vitenskapsakademiet var det under 25 % russere blant medlemmene på 1700-tallet, og av alle de kjente høyere embetsmenn i russisk statstjeneste fra Peter den stores tid til 1917 hadde ca. 1/3 vesteuropeiske navn.
Under Sjuårskrigen besatte russerne Berlin i 1760 og Øst-Preussen i 1757 (evakuert 1762). Katarina 2 den store (1762−96), som hadde styrtet sin gemal Peter 3 i 1762 og gått med på at han ble drept, kom til å grunnlegge Russlands hegemoni i europeisk politikk. Russland fikk adgang til Svartehavet og diplomatisk intervensjonsrett hos sultanen i Konstantinopel etter den russisk-tyrkiske krig 1768−74. Landet sikret seg Krim i 1784 og ytterligere en del av svartehavskysten i 1790−92.
Ved Polens tre delinger 1772−95 sikret Russland seg den østlige delen av dette landet med gresk-ortodoks (ukrainsk og hviterussisk) bondebefolkning, samt Litauen og Kurland, som ble slått sammen med Livland og Estland til ett generalguvernement. Aleksander 1 (1801−25) sikret seg i forståelse med Napoleon Finland (i 1809) og dernest Bessarabia (i 1812), men i forbindelse med den franske invasjon i Russland og kampene etterpå ble han likevel stående som Europas store «befrier». På Wienkongressen (1814−15) ble det opprettet et nytt polsk kongerike («Kongress-Polen»), forent med Russland med Aleksander som konge. Det hadde først egen hær og utstrakt indre selvstyre, men mistet dette igjen etter den store oppstanden i 1830−31.
Bondefrigjøringen i østersjøprovinsene i 1816−19 ble ikke utvidet til å omfatte resten av riket, selv om det i de kommende tiår ble innført visse lettelser i de livegnes stilling. Planene om å innføre konstitusjonelt styre lot Aleksander 1 falle etter 1819. Den «hellige allianse», som han hadde tatt initiativet til i 1815, kom Østerrikes fyrst Metternich til å håndheve meget konservativt, og fra 1820 understøttet også Aleksander den antiliberale intervensjonspolitikken. Etter at dekabristoppstanden var slått ned i 1825 og opprøret i Polen i 1831, ble Russland under Nikolai 1 den fremste makt i det konservative Europa, og etter anmodning fra Østerrike undertrykte russiske tropper i 1849 revolusjonen i Ungarn. Under Krimkrigen (1853−56) kjempet Russland mot Det osmanske riket, Storbritannia og Frankrike. Landet led sitt første alvorlige militære nederlag på over 150 år og mistet sitt hegemoni i Europa. Ved Parisfreden i 1856 måtte Russland bl.a. finne seg i at Svartehavet ble nøytralisert og avmilitarisert.
Nikolai 1s tid (1825−55) var preget av skjerpet overvåking av hele samfunnslivet, men også av oppblomstring i det kulturelle liv, særlig i litteraturen, med store navn som Aleksandr Pusjkin, Mikhail Lermontov og Nikolaj Gogol. Intelligentsiaen var preget av konflikten mellom «slavofile» og «vestvenner» (sapadniki), men samtidig også av en kritisk opposisjon mot regimet med krav om større frihet i samfunnet.
I den «nye epoken» under Aleksander 2 (1855−81) ble det innledet en vidtgående omforming av Russland, med en rekke reformlover etter vestlige prinsipper. Det viktigste var at livegenskapet omsider ble opphevet i 1861, etter lengre tids debatt. I motsetning til østersjøprovinsene, der bøndene ble frigjort uten jord, fikk de russiske bøndene rett til å kjøpe jord av godseierne. Siden de som regel ikke hadde noe å betale med, forskutterte staten kjøpesummen og krevde den inn av bøndene over 49 år. De fleste bønder fikk slik en betydelig gjeldsbyrde, og også mindre jord å dyrke enn de hadde disponert før reformen. Selv om bøndene nå i prinsippet var juridisk fri, var de fortsatt underlagt landsbyfellesskapet, miren. Skuffelsen over reformene var stor, men bare ca. halvparten av de russiske bøndene hadde vært livegne. Resten hadde vært statsbønder, og disse fikk sin frihet i 1866 på gunstigere vilkår. Uroen på landsbygda ble forsterket ved en kraftig russisk befolkningsøkning i siste tredjedel av 1800-tallet. Den tiltagende jordhungeren ble i noen grad avhjulpet med migrasjon til utkantstrøk i riket.
I 1864 ble det også innført lokalt selvstyre ved de såkalte semstvo-organene. Alle menn hadde stemmerett til semstvo, som i praksis ble dominert av liberal lavadel og personer fra «de frie yrker». Semstvoenes jurisdiksjon og skattleggingsmyndighet var svært begrenset. Samme år ble også justisvesenet modernisert og skilt ut fra den utøvende makt. Byene fikk begrenset selvstyre ved en valgreform i 1870 og det ble innført alminnelig verneplikt i 1874. Men samtidig bredte revolusjonære tendenser seg. Allerede i 1866 ble det gjort et forsøk på å myrde Aleksander 2, og «folkevennene» (narodniki) ble snart avløst av revolusjonære terrorister. I 1876 ble den hemmelige revolusjonære organisasjonen Jord og frihet (Semlja i Volja) dannet, og denne opprettet i 1878 en terroristisk gruppe, Folkeviljen, med henblikk på å drepe keiseren. Aleksander hadde allerede godkjent planer om å opprette en indirekte valgt, rådgivende forsamling, men disse ble stilt i bero da han ble myrdet i 1881. Hans sønn Aleksander 3 (1881−94) gikk tilbake til undertrykkelsespolitikken, og iverksatte for første gang omfattende forsøk på russifisering av ikke-russiske folkeslag i riket.
På det utenrikspolitiske plan klarte man i 1870 å få opphevet de restriktive bestemmelsene i Paristraktaten av 1856. Etter at en ny oppstand i Polen i 1863 hadde utløst en bølge av russisk kraftpatriotisme, fikk forbigående panslaviske stemninger Russland til å støtte serberne og bulgarerne på Balkanhalvøya og gå til en ny og siste storkrig mot Tyrkia i 1877−78. De meget gode fredsbetingelsene fra San Stefano måtte likevel modifiseres etter britisk og østerriksk-ungarsk påtrykk på Berlinkongressen i 1878. Til tross for fortsatt spenning i forholdet til Østerrike-Ungarn på Balkan og tidvis også med Tyskland holdt Aleksander 2 og Aleksander 3 begge fast ved «trekeiserpolitikken» (konsultasjonspakten av 1873, nøytralitetstraktat i 1881). Den tyske kansler Bismarcks antirussiske kredittpolitikk og andre faktorer førte til at det i 1893 ble inngått en allianse med den franske republikken, og Russland fikk store franske lån og investeringer. Det russiske initiativet til den første fredskonferansen i Haag i 1898−99 var fra Nikolai 2s side religiøst og humanitært motivert.
Russlands asiatiske besittelser mellom Ural og Stillehavet var en arv fra det gamle Moskva-riket. I 1730- og 1740-årene var også den nordligste delen av den svære kasakhiske sletten lagt inn under riket. De sørligste kasakhiske stammene kom derimot ikke under russisk overhøyhet før i 1860-årene. I Transkaukasia ble de kristne områdene Georgia og Armenia mer eller mindre frivillig inkorporert i tsarriket på begynnelsen av 1800-tallet. De muslimske stammefolkene i Kaukasus-fjellene nordenfor ydet derimot innbitt motstand mot de russiske troppene i over 25 år, inntil deres legandariske leder Sjamil ble tatt til fange i 1864. Det nåværende Aserbajdsjan ble avstått fra Iran mellom 1813 og 1828.
Etter at byene Turkestan (1864), Tasjkent (1865) og Samarkand (1868) i Sentral-Asia var erobret, og emiren av Bukhara og khanen av Khiva gjort til vasaller, trengte Russland videre frem øst for Kaspiske hav. Da Merv ble okkupert i 1884, førte dette til en krise i forholdet til Storbritannia, som følte seg truet i India på grunn av trykket mot Afghanistan.
Sibir, et nybrottsland med økende russisk befolkning (fra ca. 170 000 i 1719 til om lag 8 millioner i 1914), var også forvisningsområde for politisk «umulige» elementer, fra styrtede dignitærer på 1700-tallet via dekabrister og Fjodor Dostojevskij, til tallrike sosialister. Amur-området ble innlemmet i 1858−60, Vladivostok (navnet betyr Østens hersker) ble grunnlagt i 1860, og den sørlige del av Sakhalin ervervet fra Japan i 1875 i bytte mot Kurilene. Alaska, som offisielt var blitt annektert i 1799, ble solgt rimelig til USA i 1867. Sibir ble bundet sammen helt til Det fjerne østen med den 8000 km lange transsibirske jernbanen (1891−1904). Den russiske ekspansjonen i Mandsjuria og Korea førte til konflikter med Japan.
Fra ca. 1890 var Russland inne i en forsert industrialiseringsprosess, som ble fremmet av finansminister Sergej Wittes strenge beskyttelsestoll-politikk og konsekvente opplåning i utlandet. Privat entreprenørvirksomhet ble oppmuntret samtidig som de utenlandske investeringene økte, fra ca. 100 millioner rubler i 1880 til det nidobbelte rundt århundreskiftet. Disse investeringene gikk ikke minst til oljefeltene ved Kaspiske hav som rundt 1890 var verdens største. Den russiske stat var hele tiden viktigste initiativtager og kunde for de nye produktene og industrialiseringen hadde relativt få ringvirkninger utenfor byene og de nye industrisentra. Det ble aldri satt spørsmålstegn ved at riket i første rekke måtte være et jordbruksland.
Likevel kom alle samfunnsforhold gradvis til å bli endret. Sentrene for industri ble Moskva, St. Petersburg, det sørlige Ukraina, de polske områdene, Ural-fjellene, og Transkaukasia. Hovedvirksomhetene var tekstilindustri, jernbanebygging, gruvedrift og metallurgi, kullbryting og oljeproduksjon. Antallet fabrikkarbeidere steg i 1914 til ca. 3 millioner, 5 % av den samlede arbeidsføre befolkningen. Arbeiderne tjente dårlig, bodde kummerlig og arbeidet ofte på gigantfabrikker. Mange utviklet en egen klassebevissthet til tross for at de fleste kom rett fra bondelandet og fortsatt hadde røtter i landsbygda. Streiker og frie fagforeninger var forbudt, men i 1897 ble det vedtatt en halvhjertet arbeidsinspeksjonslov som satte arbeidstiden til 11½ timer for voksne og 9 timer for barn. Den revolusjonære bevegelsen ble holdt i sjakk av et sterkt politiapparat, med såkalt politisosialisme (fagorganisasjoner opprettet av og kontrollert av det hemmelige politi).
Til tross for at man grovt utbyttet bondearbeiderne og samtidig la for dagen typisk kapitalistiske monopoliseringstendenser, ble russisk industri ikke konkurransedyktig på verdensmarkedet. Mesteparten av eksportinntektene i 1914 kom fra landbruket (39 % fra kornproduksjonen), noe som bare var mulig fordi befolkningen som helhet var tvunget til et lavt forbruk med skattepolitiske midler. I og med at kapitaldannelsen og dermed også industrialiseringen var avhengig av at landbruket hadde overskuddsproduksjon, var agrarspørsmålet fremdeles det økonomiske hovedproblemet. Statsminister Pjotr Stolypins store jordreform (etter 1906) førte til en differensiering i bondestanden, tok sikte på å oppløse mir-ordningen og styrke bøndenes private eiendomsrett.
I 1904 gikk Russland til en meningsløs krig mot Japan som førte til matmangel i byene. Da tsaren sendte bevæpnede soldater for å møte fredelige demonstranter på den «blodige søndag», 9. januar 1905, ble minst 130 drept. Dette utløste 1905-revolusjonen som tvang tsaren til å utstede det såkalte oktobermanifestet 30. oktober 1905. Det ble opprettet en lovgivende nasjonalforsamling, Riksdumaen, som hadde hånd over ca. halve statsbudsjettet. Russland fikk dermed et politisk liv med partier. Den første og andre duma ble imidlertid oppløst etter kort tid da tsaren oppfattet dem som for radikale. De var dominert av De konstitusjonelle demokratene (KD eller «kadett»-partiet) som var borgerlig-radikalt, samt av en rekke revolusjonære og sosialistiske grupperinger. Den tsaristiske høyrefløyen hadde bare ca. 10 % av plassene. Ved Stolypins «statskupp» 16. juni 1907 ble valgretten til dumaen sterkt innskrenket. Den tredje duma 1908−12 var dominert av det moderate høyrepartiet Oktobristene, en utbrytergruppe fra Kadettene, og fikk sitte sin periode ut. Den fjerde og siste dumaen ble avbrutt av verdenskrigen.
Det teknisk tilbakestående Russland klarte ikke i lengden å mestre en slik kraftanstrengelse som den første verdenskrig ble. Litt etter litt forfalt hele statens maktapparat. Når det i mars 1917 kom til revolusjon, skyldtes dette imidlertid ikke den parlamentariske opposisjon fra de progressive partiene i Riksdumaen. Som i 1905 ble den utløst av sammenbrudd i mat- og råvareforsyningene, som førte til sult i de store byene. Den umiddelbare foranledningen til at Nikolai 2 abdiserte 15. mars 1917 var massedemonstrasjoner i Petrograd (St. Petersburgs navn fra 1914), samt påtrykk fra hærledelsen. Den såkalte provisoriske regjeringen ble dannet av dumaflertallet og ledet av en partiløs, fyrst Lvov. Den nye regjeringen lovet valg til en grunnlovgivende forsamling og satset på å fortsette krigen på ententemaktenes side. Den hadde til å begynne med bare ett sosialistisk medlem, justisministeren Aleksandr Kerenskij. Først i mai ble den supplert med seks andre sosialister (40 % av ministerpostene). Kerenskij overtok som statsminister i juli, og ved nye utskiftninger i september fikk regjeringen sosialistisk flertall. Men regjeringen klarte ikke å gjenopprette en sterk statsmakt, videreføre krigen eller forhindre økonomisk kaos. Den storoffensiven Kerenskij satte i gang i Galicja i juni, brøt sammen med store tap.
En viktig grunn til at den provisoriske regjeringen stod så svakt var at den aldri fikk regjere alene. Overalt var det opprettet sovjeter (råd) av arbeider- og soldatdeputerte, som gikk inn for å få en snarlig slutt på Russlands deltagelse i krigen. Særlig Petrograd-sovjetet ble snart en alvorlig rival for den provisoriske regjering. Dette utviklet seg til såkalt tvemakt. Rådene hadde høy legitimitet i befolkningen og også et landsdekkende apparat. Mens det stadig drøyd med å få avholdt valg til den grunnlovgivende forsamling, ble det arrangert en allrussisk sovjetkongress i juni og berammet en ny til november.