La costruzione del palazzo - con la sua caratteristica forma pentagonale - fu affidata da Alessandro Farnese (divenuto papa Paolo III) ad Antonio da Sangallo che iniziò i lavori intorno al 1530 e, dopo un'interruzione, fu terminata da Alessandro Farnese (nipote di Paolo III) che ne commissionò l'esecuzione a Jacopo Barozzi da Vignola.

Recenti ricerche hanno portato alla luce vari disegni, risalenti alla prima metà del '500, attribuiti al Sangallo ed a Baldassarre Peruzzi, nei quali è possibile individuare la "Rocca di Caprarola".

Lo studio del Vignola, come si evince da una serie di scritti e progetti, iniziò prima del 1555, pertanto l'edificio risulta un insieme di architettura militare e civile.
Bastioni, fossati, recinti e ponti levatoi danno l'idea della fortezza militare; giardini, architettura elegante e capolavori artistici, danno l'idea del palazzo signorile.

Esso può considerarsi terminato nel 1575, anche se ulteriori lavori di rifinitura si protrarranno fino al 1583.
A molti anni dopo risale la definitiva sistemazione della parte antistante il Palazzo ed il completamento dei giardini, finiti infatti da Jacopo Del Duca e da Girolamo Rainaldi.
Numerosi pittori ed artisti lavorarono nell'arco di un ventennio alla realizzazione del ciclo iconografico.
Federico e Taddeo Zuccari, Antonio Tempesti, Jacopo Bertoia, Raffaellino da Reggio, Giovanni Antonio da Varese, Giovanni de Vecchi e tanti altri meno conosciuti, eseguirono fedelmente le indicazioni di quei grandi letterati che furono Annibal Caro, Fulvio Orsini ed Onofrio Panvinio.

L'edificio si compone di 5 piani:

• i Sotterranei,
  
• il Piano dei Prelati,
  
• il Piano Nobile (l'unico visitabile),
  
• il Piano dei Cavalieri
  
• ed il Piano degli Staffieri.

Sotterranei: vi si accede dall'ampio piazzale antistante il Palazzo, tramite un grosso portale chiamato "del Facchino" o da un corridoio sotterraneo che parte dal "Cantinone" (con ingresso nell'area chiamata "Peschiera"); erano adibiti per lo più a cucine, forni, mulino, magazzini e dispense.

Piano dei Prelati: vi si accede dal portone principale, mediante un ponte che un tempo era levatoio o dalla Scala Regia che inizia dai Sotterranei. Si compone di vari ambienti: Sala d'Ingresso, Cortile con porticato, Sala di Giove, Appartamento dell'Estate, Gabinetti dei Prelati ed Appartamento d'Inverno.
Escluse le due sale, tutte le altre stanze sono affrescate solo nella volta.
La Scala Regia, capolavoro del Vignola, è del tipo elicoidale con 30 colonne doriche; tutta in peperino grigio, è totalmente affrescata e termina con una cupola pure affrescata.

Piano Nobile: vi si accede dalla Scala Regia passando nel secondo ordine di porticato e dopo una cameretta detta "Seconda Guardia". Gli ambienti di questo piano si suddividono in due tipi: sale di rappresentanza ed appartamenti privati;
la loro denominazione deriva dal soggetto del ciclo iconografico.

Le sale di rappresentanza, totalmente affrescate, sono: la Sala d'Ercole, la Cappella, la Sala dei Fasti Farnesiani, la Sala del Concilio, la Sala degli Angeli e quella del Mappamondo.

Gli appartamenti sono composti: dalla Camera dei Sogni, la Camera dei Giudizi, la Camera della Penitenza, la Stanza del Torrione (unica con soffitto in legno), la Camera della Solitudine, la Camera dei Lanifici e la Camera dell'Aurora.
Queste stanze sono affrescate solo nella volta, in quanto le pareti venivano arricchite con arazzi e quadri.

Piano dei Cavalieri: vi si accede dalla balconata sovrastante il porticato e si compone di 61 stanze.

Piano degli Staffieri: vi si accede dalla scala detta "del cartoccio" e si compone di 26 stanze con piccole finestre proprio sotto il cornicione del Palazzo.

Questi ultimi due piani non hanno nulla di artistico e da ciò si desume che fossero utilizzati dal personale di corte.

Di grande importanza artistica sono i giardini all'italiana, all'interno del parco del Palazzo.

Essi si dividono in Giardini Bassi e Giardini Alti.
I primi sono due grandi giardini pensili quadrati (detti dell'Estate e dell'Inverno) che si trovano all'altezza del Piano Nobile e sono raggiungibili mediante due ponti, rispettivamente dalla Camera dei Lanifici e da quella dei Giudizi.

I Giardini Alti sono un superbo esempio di giardino all'italiana; con una serie di fontane, ripiani, statue ed una elegante Palazzina, creano una profonda suggestione nel visitatore il quale si trova immerso in una cornice di un verde intenso.