Peu après 1750, Marie-Thérèse se vit à nouveau forcée de mettre un nouveau projet en chantier. Elle confia à Pacassi le soin exclusif de projeter et exécuter les travaux qui durèrent de 1753 à 1763. Suite à l'agrandissement constant de la famille impériale et le besoin d'espaces qui y était lié, on entreprit de construire un entresol dans l'aile occidentale. Cette mesure ayant rétabli la symétrie de la construction extérieure, la finition des façades put enfin être mise en œuvre. Les tableaux exposés à Schönbrunn, exécutés par Bernardo Belotto – dit Canaletto – dans les années 1759/60, montrent les anciennes façades côté cour et côté jardin finement structurées et richement décorées qui constituaient un magnifique exemple du style rococo.
La deuxième tranche de travaux, de 1753 à 1765, consista non seulement à agrandir l'espace aux étages du corps central et à étendre le parc, mais également à aménager les salles d'apparat. La grande galerie fut décorée à l'image de la petite galerie, déjà dotée de voûtes et de supports en marbre factice lors de la première phase de transformation. La séparation d'origine des deux salles de fête par des portes vitrées fut supprimée ; les deux salles furent réunies et somptueusement décorées de stuc et de fresques de manière à créer une unité. Elles constituent l'un des plus marquants espaces d'architecture rococo. Les fresques ont été réalises par Gregorio Guglielmi entre 1755 et 1761 et furent complétées en 1761/62 par la décoration en stuc d'Albert Bolla.
Les salles côté jardin furent elles aussi décorées dans le style typique du rococo avec des formes enjouées, appelées rocailles, des miroirs et des peintures murales.
À l'étage noble, les salles utilisées principalement pour des besoins privés, méritent une attention spéciale : luxueusement aménagées, elles témoignent aussi de l'engouement de Marie-Thérèse pour l'art d'Asie orientale – pour les porcelaines, les travaux de laque, les tissus de soie et les « chinoiseries ». Les deux cabinets chinois attenants (1754 – 1759) ainsi que le salon des porcelaines et le salon du million (1763 – 1765) furent réalisés dans la foulée de la transformation de la grande et de la petite galerie.
Après la mort inopinée de François Stéphane Ier en 1765, qui toucha cruellement Marie-Thérèse, celle-ci se lança dans de nouvelles transformations.
L'impératrice veuve fit aménager le cabinet de travail (la retirade) de son époux en salle commémorative. Sans regarder à la dépense, elle l'équipa d'un magnifique ensemble de tableaux chinois laqués, de précieux lambris intégrant des tableaux de peintres célèbres et de meubles somptueux qui ont pu être conservés jusqu'à ce jour.
Entre 1769 et 1777, au rez-de-chaussée, Marie-Thérèse fit décorer trois appartements de plusieurs pièces avec de peintures paysagères, réalisées par le peintre de Bohême, Johann Wenzel Bergl. Elle prit un appartement d'été privé du coté jardin, car en plein été la chaleur à l'étage noble lui était insupportable. De plus, après la mort de l'empereur, elle ne voulait plus utiliser la chambre à coucher commune. Ses enfants encore célibataires, Marie-Élisabeth et Maximilien François, qui vivaient à la Cour, reçurent chacun un des deux autres appartements aux peintures paysagères.
Les salles dites salles Bergl se distinguent par leurs peintures paysagères, la plupart exotiques, qui couvrent les murs et les voûtes et constituent des exemples uniques d'œuvres en trompe-l'œil.
Dans les années 1770, Marie-Thérèse entreprit son dernier grand projet, l'aménagement du parc sous la direction de l'architecte de la Cour Johann Ferdinand Hetzendorf von Hohenberg qui, avec la Gloriette, la fontaine de Neptune, la ruine romaine et l'obélisque enrichit le parc d'accents architectoniques. Des allées, des fontaines, des ronds-points et de nombreuses statues et sculptures, sortant des ateliers de Wilhelm Beyer vinrent compléter l'aménagement du parc. Peu avant la mort de Marie-Thérèse en 1780, la transformation du château et de son parc était enfin achevée.