Рим
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.)
Царское Село
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.
Павловск
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.
