กัมพูชากลายเป็นรัฐในอารักขาของฝรั่งเศส เมื่อ พ.ศ. 2406 จึงได้มีการย้ายเมืองหลวงจากอุดงมีชัยกลับมายังพนมเปญและสร้างพระราชวังหลวงขึ้นในช่วงนี้

ในช่วงเวลาที่พระบาทสมเด็จพระนโรดม พรหมบริรักษ์ทรงทำสนธิสัญญาให้กัมพูชาอยู่ในความคุ้มครองของฝรั่งเศส พ.ศ. 2406 เมืองหลวงของกัมพูชา คือ เมืองอุดงมีชัย อยู่ทางตะวันตกเฉียงเหนือของพนมเปญราว 45 กิโลเมตร ช่วงต้นปีนี้ พระราชวังชั่วคราวที่สร้างจากไม้ได้สร้างขึ้นที่ทางเหนือของพนมเปญ ส่วนพระราชวังหลวงในช่วงแรกที่สร้างขึ้นออกแบบโดยสถาปนิกชาวเขมร คือ นักออกญาเทพนิมิต (มัก) และก่อสร้างโดยฝรั่งเศสแล้วเสร็จใน พ.ศ. 2409 สมเด็จพระนโรดมจึงทรงย้ายราชสำนักจากอุดงมีชัย มายังพระราชวังหลวงแห่งใหม่ที่พนมเปญ ในเวลาต่อมา ได้มีการก่อสร้างหรือรื้อถอนสิ่งก่อสร้างต่างๆเพิ่มเติมในพระราชวังนี้ รวมถึงพระที่นั่งจันทฉายา และพระที่นั่งเทวาวินิจฉัย (ท้องพระโรง) องค์เดิม กำแพงพระราชวังถูกสร้างขึ้นใน พ.ศ. 2416 สิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ที่สร้างในช่วงนี้ มีสถาปัตยกรรมแบบเขมรเป็นหลัก และได้รับอิทธิพลจากยุโรป (สถาปัตยกรรมเขมรช่วงนี้ได้รับอิทธิพลจากสยาม) หนึ่งในอาคารที่เป็นเอกลักษณ์และยังอยู่มาถึงปัจจุบัน คือ พลับพลานโปเลียน ซึ่งเป็นของขวัญจากฝรั่งเศส ในปี พ.ศ. 2419

พระบาทสมเด็จพระสีสุวัตถิ์ โปรดฯ ให้สร้างอาคารสำคัญบางแห่งในพระราชวังหลวงปัจจุบัน ได้แก่ ศาลาโพคณี ใน พ.ศ. 2450 ช่วง พ.ศ. 2456-2462 ได้มีการรื้อถอนอาคารเก่า ปรับปรุงและขยายพระที่นั่งจันทฉายา กับพระที่นั่งเทวาวินิจฉัย อาคารที่ก่อสร้างหรือปรับปรุงในสมัยนี้ ได้มีการนำสถาปัตยกรรมเขมรสมัยนครวัดมาประยุกต์ด้วย ในรัชสมัยสมเด็จพระมณีวงศ์ ได้มีการสร้างวัดหลวง และปรับปรุงพระราชวังหลวงเดิมให้เป็นพระราชวังเขมรินทร์ (พ.ศ. 2474) ซึ่งเป็นพระราชวังหลวงในปัจจุบัน อาคารที่ก่อสร้างในสมัยหลัง ๆ ได้แก่ บ้านพักรับรองอาคันตุกะต่างชาติ และตำหนักจันทร์ซึ่งเป็นสำนักพระราชวังของราชสำนักกัมพูชา