Dopo le vicende che hanno accompagnato Palazzo Pitti e i Medici, gli ultimi grandi interventi sull'edificio avvengono in epoca lorenese. Li realizzano gli architetti Giuseppe Ruggeri, Gaspare Maria Paoletti e Pasquale Poccianti, che all'incirca fra il 1765 (incoronazione di Pietro Leopoldo di Lorena) e il 1820 realizzano le due ali laterali che abbracciano la piazza (dette Rondò) e la Palazzina della Meridiana, all'interno del parco. Il Rondò di Bacco (a sinistra), già sede di un piccolo teatro, prende il nome dall'ingresso laterale in Boboli, che a sua volta prende nome dalla statua di Bacco (1560, Valerio Cioli) collocata poco dopo il cancello, vicino all'uscita del Corridoio Vasariano. Il Rondò delle Carrozze (a destra) ospita laboratori di restauro e il Museo delle Carrozze, purtroppo chiuso al pubblico.

Nella Palazzina della Meridiana, un tempo prediletta da Umberto e Margherita di Savoia che vi fecero trasferire molti arredi neoclassici dalle regge di Parma e Lucca, hanno trovato sede la Galleria del Costume e la Collezione Contini Bonacossi.

Altre trasformazioni, più modeste ma ben evidenti, hanno interessato Palazzo Pitti nei secoli XVIII-XIX, con l'allestimento di alcune stanze ridecorate secondo lo stile neoclassico e della Restaurazione. In particolare si segnalano la Sala Bianca, ex salone da ballo, con gli stucchi dei fratelli Albertolli (1776-80) e la Sala delle Nicchie, ex sala da pranzo, ridecorata in forme neoclassiche da Giuseppe Maria Terreni e Giuseppe Castagnoli alla fine del '700.

Il periodo napoleonico ha lasciato tracce negli ambienti preparati per Maria Luisa di Borbone (Gabinetto rotondo), regina d'Etruria fra il 1801 e il 1803, e in quelli progettati nel 1811-13 per lo stesso Imperatore: il Bagno di Napoleone, il Vestibolo e il Bagno dell'imperatrice Maria Luisa, tutti disegnati da Giuseppe Cacialli (allievo del Paoletti ) che, insieme al pittore Pietro Benvenuti, é tra le figure più rilevanti del neoclassicismo toscano.

Con la Restaurazione post-napoleonica (1815) e il ritorno sul trono di Ferdinando III di Lorena prende il via un nuovo programma decorativo degli appartamenti al primo piano, affidato a pittori come Luigi Ademollo, Gaspare Martellini, Luigi Sabatelli, Pietro Benvenuti e Giuseppe Bezzuoli, uno dei migliori artisti toscani del primo Ottocento.

A Pasquale Poccianti si devono infine lo scalone sul lato nord (in sostituzione di quello "elicoidale" dell'Ammannati) il cosiddetto "atrio dorico" (1850) e il nuovo allestimento degli appartamenti del secondo piano (1825), già occupati dalla Biblioteca e dalle stanze dei cadetti Medici e Lorena. In quest'ala del palazzo ha sede dal 1918 la Galleria d'Arte Moderna, che espone in 30 sale i suoi circa 2.000 pezzi e che rimane fondamentale per la conoscenza della pittura dei Macchiaioli toscani, anticipatori degli Impressionisti francesi. Gli interventi del Poccianti saranno conclusi nel 1896 dall'architetto Luigi Del Moro.