Именным указом Павла I от 12 (23) декабря1796 года введена новая сетка губернского деления Российской империи, в которой Олонецкое наместничество отсутствовало. По докладу Сената, утверждённому императором 15(26) июля1799 года, Петрозаводский уезд был передан в состав Новгородской губернии. Одновременно в состав уезда была включена часть территории упразднённого Пудожского уезда.
Петрозаводский уезд, 1792 годПетрозаводский уезд, 1913 год
С вступлением на престол Александра I именным указом от 9 (21) сентября1801 года Олонецкая губерния была восстановлена, и Петрозаводский уезд стал её частью. Именным указом от 10 (22) октября1802 года восстановлен Пудожский уезд и, таким образом, Петрозаводский уезд вернулся к границам екатерининского времени.
В 1867 году в составе уезда было 7 волостей: Кижская, Остречинская, Петропавловская, Салменижская, Толвуйская, Шелтозерско-Бережная, Шуйская. К 1916 году их число возросло до 15: Великогубская, Кижская, Кондопожская, Ладвинская, Остречинская, Святозерская, Сенногубская, Спасо-Преображенская, Сямозерская, Тивдийская, Типиницкая, Толвуйская, Шелтозерско-Бережная, Шуйская, Ялгубская.
При советской власти
Декретом ВЦИК от 8 июня1920 года была образована Карельская трудовая коммуна, а декретом ВЦИК и СНК РСФСР от 4 августа 1920 года определены её границы. Из Петрозаводского уезда в состав Коммуны включались город Петрозаводск и волости: Деревянская, Кондопожская, Кончезерская, Святозерская, Спасо-Преображенская, Сунгская, Сямозерская, Тивдийская, Шуйская, Ялгубская. Остальная часть уезда декретом ВЦИК и СНК РСФСР от 12 сентября 1920 года включена в состав Олонецкой губернии. Постановлением НКВД РСФСР от 30 сентября 1920 года Ладвинская, Остречинская, Шелтозерская волости были включены в состав Лодейнопольского уезда, Великогубская, Кижская, Сенногубская, Кузарандская, Толвуйская, Типиницкая волости — в состав Повенецкого уезда. В сентябре 1923 года из 5 западных волостей Петрозаводского уезда — Паданской, Порос-Озерской, Ребольской, Ругозерской и Кимас-Озерской, был образован Паданский уезд с центром в селе Паданы.
Постановлением Президиума ВЦИК от 29 августа1927 года Петрозаводский уезд был упразднён вместе с остальными уездами АКССР. Территория уезда была распределена между вновь образованными районами следующим образом:
Карелия: энциклопедия: в 3 т. / гл. ред. А. Ф. Титов. Т. 2: К — П. — Петрозаводск: ИД «ПетроПресс», 2009. — С. 312—313 — 464 с.: ил., карт. ISBN 978-5-8430-0125-4 (т. 2)