Примерно с 1817 года Демут-Малиновский и Пименов начинают сотрудничать с архитектором К. И. Росси, принимая самое активное участие в скульптурном оформлении Елагина и Михайловского дворцов, ансамбля Александрийского театра (ныне театр имени А. С. Пушкина) и других сооружений.
В 1823 году Демут-Малиновский вместе с Пименовым приступает к скульптурному оформлению фасадов и интерьеров одной из наиболее крупных построек Росси — Михайловского дворца. Здесь Демут-Малиновскому принадлежит большая часть наружной отделки здания и фриз главной лестницы.
«Декоративная скульптура отличается торжественным величием и строгостью форм, — пишет Александрова. — Наиболее интересная работа Демут-Малиновского в Михайловском дворце — огромный рельефный фриз из сорока четырёх прямоугольных панно, проходящий вдоль главного и садового фасадов здания. Сюжеты для фриза взяты из античной истории и представляют процессию римских воинов. В расположении фигур скульптор использовал принцип классического равноголовия. Фигуры плотно заполняют всю плоскость рельефа, отчего фриз кажется несколько тяжеловесным. Эта перегруженность композиции отражает характерную для позднего классицизма черту — тяготение к подчёркнутой монументальности форм.
Скульптурная группа садового фасада представляет собой композицию из двух фигур Слав, держащих щит с гербом царской фамилии. Фигуры женщин полны величия и спокойствия. Силуэт группы чётко вырисовывается на фоне неба».
В 1819 году Росси приступил к созданию ансамбля Главного штаба и министерств. Через улицу, проходящую в центре ансамбля, зодчий перекинул двойную арку. Именно арка — смысловой центр этого грандиозного сооружения. На ней сконцентрировано основное скульптурное убранство.
К марту 1827 года Росси определился с объёмом скульптурных работ, и вся работа по пластическому оформлению арки снова была передана Демут-Малиновскому и Пименову. Скульпторы работали как обычно в тесном контакте, поэтому порой непросто определить, что конкретно исполнял каждый из них.
Отчёты Академии художеств позволяют узнать, что Демут-Малиновский выполнил «гипсовые модели колоссальных коней, запряжённых в колесницу, а также воинов и модели орнаментов, из коих первые выбиты из латуни, а последние отлиты из чугуна для Главного штаба». Уточнить данные об авторстве скульпторов позволяют «Отечественные записки», где сообщается, что Демут-Малиновским были выполнены «колесница с двумя конями и воин, удерживающий их левою рукою, огромные трофеи и арматура по рисункам г. архитектора Росси», а также «молодой воин…» Кроме того, скульптору принадлежит и модель колесницы.
После постройки Сената и Синода Росси и Демут-Малиновский больше не работали вместе.
Нарвские ворота архитектора Стасова — последняя крупная работа скульптора в области монументально-декоративной пластики. В 1830 году последовало распределение скульптурных работ. Демут-Малиновскому и Пименову заказали «по одному воину и по два коня», а также «Славу с колесницею».
В отличие от торжественного шествия скульптурной группы на здании Главного штаба, триумфальная колесница Нарвских ворот дана в бурном движении. Великолепная шестёрка лошадей увлекает за собой колесницу с фигурой «Славы». Последняя держит в правой руке лавровый венок, в левой — лавровую ветвь. Кони готовы остановиться по велению «Славы», которая стремится увенчать идущих ей навстречу героев.
В последний период творчества художник обращается к новому для него жанру скульптуры — монументальным памятникам. К числу первых произведений подобного рода относится так называемый памятник «В воспоминание о Кайнарджинском мире». Он выполнен в 1833–1834 годах по заказу сына прославленного русского полководца, фельдмаршала П. А. Румянцева-Задунайского.
Наибольшей известностью из поздних работ Демут-Малиновского пользуются памятники фельдмаршалу Барклаю де Толли (1849) и Ивану Сусанину (1851), открытые уже после смерти скульптора 16 (28) июля 1846 года.
