La segunda fase de ocupación por parte de la familia real se dio con la presencia de Carlos I de Portugal (r. 1889-1908) y su esposa Amelia de Orleans, quienes utilizaban el edificio como residencia de verano antes de continuar sus vacaciones en la Ciudadela de Cascais. Su hijo, el rey Manuel II, también habitó el palacio durante largas estancias, manteniendo su antiguas estancias de príncipe como dormitorio principal, mientras que las antiguas estancias de su padre se establecieron para la celebración de actos oficiales. La reina Amelia de Orleans se encontraba en el Palacio da Pena cuando se produjo la Revolución del 5 de octubre de 1910, que acabó con la monarquía en el país e instauró la Primera república portuguesa. Acto seguido, Amelia abandonó el palacio dirección Mafra donde se encontraba su hijo Manuel y su suegra María Pía y desde un yate en Ericeira abandonaron el país hacia Gibraltar.