Здания были возведены в 1829-1834 годах по проекту архитектора Карла Ивановича Росси (1775—1849) и стали его последним крупным произведением. Руководил строительством архитектор Александр Егорович Штауберт. Здание Сената со зданием Синода соединено триумфальной аркой, переброшенной над Галерной улицей. В оформлении арки Росси использовал один из неосуществленных вариантов арки Главного штаба, переработав его в соответствии с размерами зданий. Над аркой размещена скульптурная группа "Благочестие и Правосудие" символизирующая веру в закон.
Первой постройкой на месте нынешнего здания был фахверковый дом светлейшего князя Меншикова. После его опалы дом на набережной Невы перешел в собственность вице-канцлера А.И. Остермана, а в 1744 году Елизавета Петровна пожаловала это место А.П. Бестужеву-Рюмину, для которого возвели постройку в стиле барокко.
В 1763 году, после восшествия на престол Екатерины II, дом Бестужева-Рюмина перешел в казну, и в это здание, перестроенное архитектором А.Ф. Вистом, переехал Сенат.
Сенат и Синод первоначально располагались в здании Двенадцати коллегий.
В 1780-1790-х годах барочный дом Бестужева-Рюмина был снова перестроен, и его фасады получили новую архитектурную обработку, типичную для русского классицизма.
Имя автора проекта перестройки здания неизвестно. Предположительно, по сохранившемуся в собрании музея Академии художеств чертежу западного фасада здания, проект был разработан архитектором И. Е. Старовым.
На месте нынешнего здания Синода в 18 веке находился дом купчихи Кусовниковой.
Вопрос о строительстве нового здания для Сената и Синода возник после того как в 1823 году завершились работы по перестройке здания главного Адмиралтейства. Постройки на противоположной от Адмиралтейства стороне площади уже не соответствовали её новому облику, возникла необходимость в их реконструкции.
Был объявлен конкурс на разработку проекта новых зданий для Сената и Синода, в котором приняли участие известнейшие архитекторы того времени — К. Росси, В. Стасов, С. Шустов, А. Михайлов 2-й, П. Жако и В. Глинка. Победу на конкурсе проектов одержал К. Росси, которому удалось убедительно решить основную задачу конкурса: «придать зданию характер, соответствующий огромности площади».
Закладка здания Сената состоялась 24 августа 1829 года. В объем здания были органично включены части стен прежней постройки — дома Бестужева-Рюмина. Здание Синода было заложено на год позже — когда соседний дом купчихи Кусовниковой был выкуплен в государственную казну.
15 июля 1831 года проект скульптурного убранства здания был утверждён Николаем I.
Император дал указание изобразить фигуры не "в рост", а сидящими, убрать трофеи, книги законов в руках гениев сделать без надписей, фигуры одеть в античные того или превратить в аллегорические.
К началу октября 1832 года возведение корпусов было завершено, приступили к внутренней отделке зданий. Работы по мрамору возглавлял К. Трискорни. Мебель выполнялась П. Гамбсом, А. Туром, К. Гудом и другими мастерами по чертежам А.Е. Штауберта. Наиболее сложные элементы лепного декора интерьеров выполнил Торичелли. Залы расписывали Б. Медичи, Ф. Рихтер, В. Соловьёв и другие художники. До настоящего времени оригинальные интерьеры зданий сохранились только отчасти — в основном роспись и лепнина.
После завершения отделочных работ в здании разместился Сенат, его первое заседание состоялось 25 апреля 1834 года в присутствии Николая I.
В угловом помещении здания Сената была устроена церковь во имя Семи вселенских соборов. Её освятили 27 мая 1835 года. Помещение храма представляет собой двусветный зал с полукруглым, покрытым росписью сводом. Купол храма оборудован стеклянным фонарём. Резной дубовый иконостас церкви выполнил мастер столярных работ А. Тарасов по рисункам А. Е. Штауберта.
Полностью все работы как в здании Сената, так и в здании Синода были закончены в ноябре 1835 года. С постройкой здания Сената и Синода завершилось архитектурное формирование западной границы Сенатской площади.

Сенат и Синод (закругленный угол здания Сената). Английская набережная.
Вид с северо-востока.
В 1909 году число служащих Сената возросло до такой величины, что потребовалось увеличить количество занимаемых ими помещений. Для этих целей был куплен соседний по набережной со зданием Сената особняк — дом Лавалей.

Дом графини Лаваль на Английской набережной. Главный (северный) фасад.
Вид с северо-востока.
Советский период
После 1917 года здание Сената и дом Лавалей передали Главному архивному управлению, здесь разместился Центральный исторический архив СССР. Всё имущество и бумаги Сената были переданы в музеи и архивы. В 1924 году был разобран иконостас церкви Сената, а помещение церкви приспособили под книгохранилище. В 1929 и 1936 годах проводилась реставрация фасадов и скульптурного убранства.
Во время Великой отечественной войны здания Сената и Синода сильно пострадало от артиллерийских обстрелов. В 1941-1942 годах в него попало восемь тяжёлых снарядов. Реставрация здания началась уже в 1944 году и продолжалась до 1952 года.
Современный период
В 2005 году Законодательное собрание Санкт‑Петербурга предложило использовать здания Сената и Синода для размещения «институтов высшей судебной власти или создание музея». В 2006 году после переезда архива в новое здание на Заневском проспекте, началась реставрация здания Сената и Синода и приспособление его под размещение здесь Конституционного суда Российской Федерации.
5 февраля 2007 года Президент РФ подписал закон о переводе Конституционного суда РФ из Москвы в Санкт‑Петербург. В мае 2008 года в здании Сената и Синода начал работу Конституционный Суд.
27 мая 2009 года в здании Синода была открыта Президентская библиотека имени первого президента Российской Федерации Бориса Николаевича Ельцина.

Здание Сената и Синода и Английская набережная. Большая Нева.
Вид с северо-востока, с Университетской набережной.
Архитектура
При значительной протяженности зданий Сената и Синода архитектор Карл Иванович Росси с большим мастерством рассчитал пропорции, определив высоту в семнадцать метров и объединив два отдельных здания в единое целое высокой триумфальной аркой, переброшенной над Галерной улицей.

Арка здания Сената и Синода
Арка объединяет здание Сената и здание Синода, разделённые Галерной улицей. Улица начинается сразу за аркой. Арку венчает скульптурная группа «Правосудие и благочестие». Вид с севера.
В оформлении арки архитектор использовал один из неосуществленных вариантов арки Главного штаба, переработав его в соответствии с размерами зданий. Над аркой размещена скульптурная группа "Благочестие и Правосудие", символизирующая веру в закон. Лепные украшения, статуи, скульптурная группа на аттике придали арке торжественную, почти барочную пышность.
Скульптуры на фасадах здания - статуи гениев и группа "Благочестие и Правосудие", венчающая арку, - созданы известными скульпторами того времени С.С. и Н.С. Пименовыми, В. Демут-Малиновским, С. Соколовым.
Входы в здания оформлены гранитными лестницами с пандусами и восьмиколонными лоджиями.
По бокам лестниц предполагалось разместить чугунных львов, но их установке воспротивился Синод.
На фасадах четырежды повторены лоджии с колоннадой и ступенчатым аттиком. Фасады и центральная арка украшены выступающими парами колонн.

Здание Сената и Синода на набережной реки Невы (Английская набережная)
Вид с северо-востока, с Университетской набережной.
Закругленный угол Сената, обращенный к Неве, обработан колоннадой из восьми свободно стоящих колонн, поставленных на стену первого этажа, играющего роль цоколя. Колонны коринфского ордера придают всему сооружению подчеркнуто парадный вид.

Вид на здания Сената и Синода с Университетской набережной
Вид с северо-запада.