I vari progetti, che presero avvio durante l’invasione francese della città (1793), vennero ripresi e completati tra il 1814 e il 1828. I lavori previsti diedero alla piazza l'attuale forma ellittica con duplice esedra decorata da numerose fontane e statue. Prima di quest’ultima modifica, era stato proposto e supportato dall’amministrazione francese il progetto di sistemazione dell'architetto francese Louis Martin Berthault (1770-1823), che però non venne mai realizzato.

I due emicicli contrapposti della piazza sono coronati da otto sfingi in marmo, ognuno con le testate ornate dalle statue che raffigurano le Quattro Stagioni. Al centro degli emicicli si trovano le due fontane a vasca sovrastate dai gruppi scultorei della Dea Roma tra i fiumi Tevere e Aniene (lato Pincio) e del Nettuno tra i Tritoni in lotta (lato Tevere), realizzati da Giovanni Ceccarini su disegni dello stesso Valadier.

Al centro della piazza, una struttura a gradoni inquadra la Fontana dei leoni, composta da quattro vasche sormontate da figure leonine in stile egizio che circondano l’obelisco centrale. Anch’essa opera del Valadier, fu realizzata in sostituzione della preesistente fontana rinascimentale di Giacomo Della Porta, oggi in piazza Nicosia.
A completamento dell’arredo monumentale della piazza, l’architetto pose due fontane sarcofago, collocate nella parte nord, addossate ai prospetti laterali della Caserma Giacomo Acqua e del convento di Santa Maria del Popolo.

I lavori di Valadier continuarono anche sotto il pontificato di  Leone XII (1822-1829) con la sistemazione delle pendici del Pincio e la realizzazione del raccordo tra la piazza e il colle con ampie rampe carrozzabili, adornate da alberi, terminate nel 1834.

Sul lato nord della piazza è presente la Porta del Popolo, realizzata contestualmente alla costruzione delle Mura Aureliane nel III secolo come ingresso alla città dal nord. La sua conformazione originaria era probabilmente a due fornici fiancheggiati da due torrioni rotondi. Il primo piano della porta riceveva luce da finestre ad arco mentre il secondo piano era costituito da un camminamento scoperto riparato da merlature. La struttura venne restaurata e trasformata dagli interventi compiuti dagli imperatori Arcadio e Onorio nel V secolo, durante i quali la porta venne ridotta ad un solo fornice e vennero consolidate e rialzate le torri laterali, trasformate a pianta quadrata.
Nelle più antiche piante di Roma la porta assume vari nomi tra i quali di San Valentino, per la vicinanza con l’omonima basilica, Flumentana, per la vicinanza con il Tevere, e quella oggi conosciuta del Popolo, dal nome dell’adiacente chiesa nella quale si conserva un’immagine molto venerata della Vergine. La porta venne concessa alla Dogana di Roma da Papa Clemente VII nel 1532, insieme a tutte le porte della città che vennero tolte ai precedenti proprietari e concessionari. Nel 1561-1562 venne ristrutturata nelle attuali forme architettoniche, con il fronte esterno caratterizzato dallo stemma dei Medici posto sopra la trabeazione delle due coppie di colonne. In occasione dell’arrivo a Roma di Cristina di Svezia nel 1655, papa Alessandro VII Chigi commissionò a Gian Lorenzo Bernini il rifacimento del fronte interno; durante l’intervento vennero inseriti l’iscrizione dell’attico in ricordo dell’ingresso della Regina, giunta a Roma per convertirsi al cattolicesimo e i simboli chigiani (quercia, stella e monti). Per sottolineare l’accesso alla città Santa, nel 1658, negli spazi tra le colonne del fronte esterno, vennero posizionate le statue dei Santi Pietro e Paolo, opera dello scultore Francesco Mochi. Tra il 1879 e il 1887 l’architetto Agostino Mercandetti, in risposta alle esigenze del traffico veicolare della zona, abbatté le due torri quadrangolari per consentire l'apertura dei fornici laterali, interventi ricordati dalle due targhe poste al di sopra degli archi.

A seguito del restauro di tutto il complesso architettonico-scultoreo degli anni ’90, si realizzò la pedonalizzazione della piazza.