Когда Греция освободилась от османского влияния, встал вопрос о кандидатуре Петра Ольденбургского на греческий престол. Но королём эллинов ему стать не пришлось. Император Николай I в 1830 году вызвал племянника на службу в Россию. Числившийся ещё от рождения в рядах лейб-гвардии Преображенского полка, принц в декабре 1830 года был назначен командиром батальона преображенцев. Затем он временно командовал и всем Преображенским полком.
В армии Пётр Ольденбургский дослужился до чина генерала от инфантерии и в 1841 году перешёл на гражданскую службу. В1834 году он стал сенатором, в 1836 году — членом Государственного совета, в 1842 году — председателем Департамента гражданских и духовных дел. В 1841-1859 годах он являлся президентом Вольного экономического общества, а с 1860 года возглавлял Ведомство императрицы Марии. Император Николай I высоко оценил деятельность своего племянника и в 1845 году пожаловал ему титул императорского высочества. Благодаря попечению и заботам принца Петра было создано Училище правоведения, на нужды которого он пожертвовал один миллион рублей. В 1889 году, уже после смерти Петра Георгиевича, на Литейном проспекте в Санкт-Петербурге был установлен в его честь памятник.
От брака с принцессой Нассауской Терезией (1817-1871) принц Пётр имел восьмерых детей и среди них дочь Александру Петровну (1838-1900), ставшую женой великого князя Николая Николаевича старшего, сына императора Николая I, и сыновей — принцев Николая (1840-1886), Александра (1844-1932), Георгия (1848—1871) и Константина (1850-1906).
Александр Петрович был участником русско-турецкой войны 1877-1878 годов, членом Государственного совета, председателем Общества трезвости, а в годы Первой мировой войны занимал должность руководителя всей санитарной и эвакуационной службы армии. На этой должности он отличился жестоким подавлением мародёрства в среде санитаров, что было настоящим бичом армии и наносило удар по её престижу и моральному духу.
Заботами принца Александра Петровича в Петербурге был сооружён Народный дом императора Николая II. Под его руководством была создана климатическая станция в Гаграх.
После революции 1917 года принц Александр Петрович Ольденбургский вместе с семьёй эмигрировал во Францию, где и умер в 1932 году. От брака с княгиней Евгенией Максимилиановной Романовской, герцогиней Лейхтенбергской (внучкой Николая I) Александр Петрович имел единственного сына — принца Петра Александровича (1868-1924). С 1901 года он был женат на дочери императора Александра III великой княгине Ольге Александровне. Брак этот был бездетным и неудачным. Супруги развелись в 1916 году.
До Первой мировой войны Пётр Александрович в чине генерал-майора командовал полком стрелков Императорской фамилии. После февраля 1917 года он ушёл в отставку и поселился в своём имении в Воронежской губернии, а с начётом красного террора вместе с отцом и матерью бежал во Францию. Там он жил в Париже и на ферме под Байоной.
Принц занимался литературой и под псевдонимом «Пётр Александров» публиковал рассказы из народного быта. Писатель Иван Бунин в эмиграции часто общался с принцем Ольденбургским и после его смерти от туберкулёза в 1924 году написал о нём очерк. С его кончиною русская линия Ольденбургского дома пресеклась.
Младший брат принца Александра, Константин Петрович Ольденбургский, в 1882 году женился морганатическим браком на княгине Агриппине Джапаридзе (1855-1926). Его потомство получило титул графов фон Зарнекау.
В настоящее время Голштейн-Готторпская ветвь Ольденбургской династии существует в лице потомков великого герцога Павла Фридриха Августа, старшего брата основателя русской линии принца Георгия. Род Ольденбургов лютеранского вероисповедания. По законам семьи глава династии и его супруга носят титулы великого герцога и великой герцогини, а другие члены Дома титулуются герцогами и герцогинями Ольденбургскими с обращением «ваше высочество».
Павел Фридрих Август, как и его младший брат, долго жил в России и служил на русской службе. В 1811-1817 годах он занимал пост военного губернатора в Ревеле, а в 1829 году вступил на великогерцогский престол. Правление его пришлось на время революционного движения в Германии, когда жители многих германских государств требовали введения конституции, и великий герцог в 1848 году даровал её своему государству, но после поражения революции пошёл на сокращение прав парламента (ландтага). В 1852 году конституция была пересмотрена, и властные права великого герцога расширены.
Павел Фридрих Август был женат трижды и от своих браков оставил четверых детей. У него было два сына: Пётр (1827-1900) и Антон Гюнтер Элимар (1844-1894). Последний в 1876 году заключил морганатический брак с баронессой Наталией Фогель фон Фрезенгоф (1854-1937). Она была дочерью барона Густава Фрезенгофа и Александры Николаевны Гончаровой, сестры жены А.С. Пушкина Натальи Николаевны. Дети Антона Гюнтера Элимара получили титул графов Вельсбург.