До приезда в Россию (1779 г.) он жил в Италии, где изучал произведения античной архитектуры, особенно углубленно занимаясь римскими термами. Эта исследовательская деятельность Камерона, нашедшая отражение в его научном трактате о римских банях, опубликованном в 1772 г., сказалась впоследствии в высоком и тонком профессиональном мастерстве архитектора.
(Фундаментальный труд «Термы Римлян», с собственными рисунками и обмерами был переведён на русский в 1930-х годах.)
В Петербург приехал в 1779 году по приглашению Екатерины II. Императрица, восхищённая его познаниями и декоративным искусством зодчего, стала давать ему многие поручения по украшению Царскосельской резиденции.
Увлечённая античностью, она пожелала воссоздать у себя атмосферу древнего Рима, и Камерон с 1780 года, воспроизводя в миниатюре хорошо изученные им римские термы, строит у восточного конца Большого Екатерининского дворца двухэтажный корпус с Холодными банями на первом этаже, и парадными помещениями — Агатовыми комнатами на втором. Они были выстроены в новом, невиданном ранее стиле классицизма, богато отделаны агатом, яшмой, мрамором, позолоченной бронзой. Через овальную лоджию-вестибюль можно выйти в Висячий сад, устроенный на уровне второго этажа.
От Висячего сада под прямым углом к Большому дворцу на высоком цокольном этаже возвышается протяжённая галерея-колоннада, завершающаяся в парке у озера эффектной лестницей, украшенной бронзовыми изваяниями.
В архитектуре фасада Агатовых комнат и Камероновой галереи использован своеобразный приём противопоставления грубой рустованной обработки цокольных этажей терм и галерей чрезвычайно тонкой прорисовке архитектурных форм и деталей обоих сооружений.
Ансамбль Камероновой галереи, терм и висячего сада создан в 1783—1786 годах.
В 1790-е годы в Большом дворце Чарльз Камерон произвёл отделку нескольких помещений. Несмотря на разрушения дворца фашистами во время Великой Отечественной войны, они уцелели, были отреставрированы, и являются характерными образцами искусства зодчего в создании дворцовых интерьеров,
из которых особенно интересны Зелёная и Купольная столовые. Замечательна анфилада небольших покоев Екатерины в Зубовском корпусе дворца, среди которых необычны по отделке Опочивальня, Диванная, так называемая Табакерка, и другие.
В декоре этих помещений Камерон применил необычные методы отделки, в частности, инкрустацию слоновой костью. Наряду с этим, он применял и недорогие материалы, например, стекло с цветной подкладкой из фольги.
Интерьеры пострадали в годы войны и позднее, во время устройства в Зубовском корпусе санатория, были уничтожены. Предполагается их воссоздание.
Софийский собор в городе София (теперь часть Пушкина) около Санкт-Петербурга – одна из первых церквей в стиле Палладио, построенных в России. Строительство собора было начато в июле 1782 г. Царица пожелала иметь точную копию Константинопольской Софии вблизи своей летней резиденции и для создания проекта этой «Византийской» церкви призвала своего любимого архитектора – Чарльза Камерона. Сведущий в римской архитектуре шотландец не имел, однако, достаточного представления об архитектуре византийской. В результате, собор, украшенный дорическими портиками, более похож на знаменитую виллу Капра ла Ротонда, построенную Палладио в Виченце.
Параллельно с разнообразными работами в Царском селе, в 1782 году Камерон приступил к формированию резиденции наследника Павла — Павловска. Дворец, парк и ряд павильонов в нём созданы по его проектам и под личным наблюдениям.
Пейзажный парк формировался им, исходя из особенностей рельефа, и характера растительности, в естественном лесном массиве в 1790-х годах в содружестве с художником — декоратором, известным мастером дворцово-паркового искусства и архитектором П. Гонзаго. В обширном парке 600 га.
Наверху склона, круто спускающегося к реке Славянке возвышается дворец.
На высоком цокольном этаже на главном и садовых фасадах установлены портики с колоннами своеобразно трактованного Коринфского ордера, имеющего широкий сплошь орнаментированный фриз, охватывающий весь дворцовый объём. Параллелепипед этого объёма завершён плоским декоративным куполом, арабан которого окружён часто расположенными колоннами.
Композиционно — планировочная схема дворцового ансамбля, воплотила палладианскую систему итальянских вилл в русской интерпретации.
Главный высокий объём дворца, крытый дугообразными переходами, соединён с низкими служебными павильонами по концам, фланкирующими парадный двор и подъезд к нему.
К парадному двору и ныне ведёт широкая прямая аллея, как бы растворяющаяся в далях парка.
Парадные помещения дворца, образующие анфилады по сторонам центрального зала, были изысканно оформлены Камероном с присущим его манере изяществом и искусством. Интерьеры пострадали при пожаре в 1793 году, но были возобновлены архитектором Бренна.
Дворец был подожжен фашистскими оккупантами при отступлении в 20-х числах января 1944 года Его документально точно воссоздали и реставрировали в 1960-х годах.
Неподалёку от дворца в долине реки Славянки Камерон создал несколлько замечательных по гармонии с природой и красоте архитектурных композиций из павильонов и мостиков. Среди них выделяется образной близостью к античному круглому храму павильон «Храм Дружбы» (1780—1782 годы). в этом сооружении искусно сочетается римская ротонда с римским дорическим ордером колоннады круглого периптера.
Тогда же созданная «Колоннада Аполлона» отражает романтические настроения тех лет.
Важное место в ансамбле с дворцом и партерным регулярным «Собственным садом» занимает терраса и павильон «Трёх граций» 1800—1801 гг.
У парадного въезда на краю водоёма находится вольер.
В 1799 году через реку Славянку был переброшен горбатый мостик.
Павловский ансамбль является вершиной архитектуры и паркостроения в России конца XVIII века.
После смерти Екатерины II и воцарении Павла в 1796 г. Камерону отказывают в заказах и он отправляется на Украину в Батурин, где для гетмана Кирилла Разумовского Камерон строит к 1803 году прекрасный дворец. После смерти Павла и воцарении Александра I Камерон был вновь возвышен.
В 1802—1805 состоял главным архитектором Адмиралтейства, после него этот пост занял А. Д. Захаров.