Der Palast befindet sich auf dem Gebiet der antiken römischen Stadt Augusta Taurinorum, deren Stadttor, die Porta Decumana von 45 v. Chr., in den heutigen Bau integriert ist. Herzog Filippo von Savoyen bezog die beiden Türme des Stadttors (sie sind heute durch die späteren Erweiterungen nicht mehr sichtbar) bei der Errichtung einer Festungsanlage in den Bau mit ein. Ähnlich wie in Pavia oder Mailand lag das castello aus strategischen Gründen am Rande der beherrschten Stadt[1] (wie ja auch später die Zitadelle am gegenüberliegenden Rand des damaligen Stadtkarrees positioniert wurde). 1402 bis 1415 wurde der Bau unter Filippos Nachfolger Ludovico vergrößert und mit den östlichen Backsteintürmen bestückt. Im 17. Jahrhundert wählte Maria Cristina von Frankreich, genannt Madama Reale, den Palast zu ihrem bevorzugten Wohnsitz und ließ ihn ab 1638 schlossartig ausbauen. Seit dieser Zeit trägt er den Namen Palazzo Madama. Aus dieser Zeit stammt die Überwölbung des Innenhofs.

Im 18. Jahrhundert wurde der Palast erneut umgebaut, erhielt die heutige stadtseitige Fassade und das repräsentative Treppenhaus. 1848 wurde er Sitz des Senato del Regno. Zwischen 1883 und 1885 wurden die drei mittelalterlichen Seiten des Palastes unter der Leitung von Alfredo d’Andrade gründlich im Sinne des Historismus restauriert. Deren heutiges Bild wird durch Andrades Vorstellungen und seine Restaurierungsmaßnahmen, für die er eigens 30.000 besondere Ziegel brennen ließ, bestimmt. Seit 1934 wird der Palast als Museum genutzt.