Ранним и в то же время самым честолюбивым его замыслом явился проект Кремлевского дворца (17671775), рассчитанный на одновременную реконструкцию Кремля и Красной площади. Проектом предусматривалось создание грандиозного ансамбля, который, по выражению автора, мог бы служить «Форумом великой империи». Работы были остановлены Екатериной II на самой ранней стадии из-за нехватки средств (большая проектная модель хранится в московском Музее архитектуры); концепция, однако, оказала большое влияние на русскую архитектурную мысль, ориентируя ее в духе классицизма. Таким же реально-неудачным и исторически-перспективным оказался и проект дворца в императорской подмосковной резиденции Царицыно (17751785); в его комплекс Баженов (впервые на русской почве) ввел приемы неоготики, объединив их с мотивами национального («нарышкинского») барокко. Екатерина II прервала строительство, недовольная обилием масонской символики в декоре, а также близостью Баженова к опальному просветителю Н.И.Новикову (постройка эта так и осталась в виде живописных руин).
После этих неудач Баженов перешел к работам по частным заказам: с его именем принято связывать неоготически-барочную Владимирскую церковь в имении Быково (1789) и ряд других подмосковных построек. Среди его московских произведений классицистические дом Долгова на проспекте Мира (1770) и дом Юшкова на Мясницкой улице (конец 1780-х годов); дом Пашкова (17841786) на Ваганьковском холме напротив Боровицких ворот Кремля органически объединило принципы барокко и классицизма. Вновь приближенный ко двору в последние годы жизни, при Павле I, Баженов в 1797 создал для него проект Михайловского (Инженерного) замка, контрастно противопоставленного городу именно в виде сурового замка, окруженного каналами с подъемными мостами (позднее засыпаны); архитектура украшена пышным, продуманным пластическим декором, включена в театрализованно-сложный ансамбль.
Оставив целый ряд художественно-теоретических текстов (Слово на заложение Кремлевского дворца и др.; под его редакцией опубликован перевод Витрувия с комментариями), он много работал и как педагог; в 1799 был назначен вице-президентом Академии художеств.
Умер Баженов в Санкт-Петербурге 2 (13) августа 1799.
Михайлов А.И. Баженов. М., 1951
Пигалев В. Баженов. М., 1980
Баженов В.И. 17381799. Каталог. М., 1988