Il palazzo fu una delle molte dimore signorili costruite dai Farnese nei propri domini. Inizialmente doveva avere caratteristiche difensive come era comune nelle dimore signorili del territorio laziale tra XV e XVI secolo. La realizzazione di una residenza fortificata a Caprarola venne inizialmente affidata dal cardinale Alessandro Farnese il Vecchio ad Antonio da Sangallo il Giovane che progettò una rocca pentagonale con bastioni angolari. I lavori iniziarono nel 1530, ma furono sospesi nel 1546 a causa della morte del Sangallo. Il cardinale Alessandro il Giovane, insediatosi a sua volta a Caprarola, volle riprendere il progetto del nonno, così, nel 1547, affidò il cantiere al Vignola, ma i lavori ripresero solo nel 1559. Vignola, venuto meno lo scopo difensivo, modificò radicalmente il progetto originale: la costruzione, pur mantenendo la pianta pentagonale dell'originaria fortificazione, venne trasformata in un imponente palazzo rinascimentale, che divenne poi la residenza estiva del cardinale e della sua corte. Al posto dei bastioni d'angolo l'architetto inserì delle ampie terrazze aperte sulla campagna circostante, mentre al centro della residenza fu realizzato un cortile circolare a due piani, con il superiore leggermente arretrato. Vignola fece tagliare la collina con scalinate in modo da isolare il palazzo e, allo stesso tempo, integrarlo armoniosamente con il territorio circostante; inoltre fu aperta una strada rettilinea nel centro del paesino sottostante, così da collegare visivamente il palazzo alla cittadina ed esaltarne la posizione dominante su tutto l'abitato. Diresse personalmente i lavori, almeno fino al 1564, e comunque alla sua morte, nel 1573, l'edificio era praticamente completato.[1]

All'interno della sontuosa dimora lavorarono i migliori pittori e architetti dell'epoca. I temi degli affreschi furono ispirati dal letterato Annibal Caro e realizzati da Taddeo Zuccari, poi sostituito, alla sua morte (1566), dal fratello Federico Zuccari, da Onofrio Panvinio e da Fulvio Orsini.

Alla villa sono annessi gli "Orti farnesiani" (con lo stesso nome dei giardini della famiglia sul colle Palatino a Roma), uno splendido esempio di giardino tardo-rinascimentale, realizzato attraverso un sistema di terrazzamenti alle spalle della dimora, arroccati sul colle dal quale s'erge la costruzione e collegati dal Vignola con la residenza attraverso dei ponti. I lavori per il giardino furono iniziati nel 1565 da Giacomo Del Duca, utilizzando per i terrazzamenti la terra di scarico delle fondazioni della chiesa del Gesù a Roma, e si conclusero solo nel 1630, sotto la direzione di Girolamo Rainaldi. La piccola costruzione che si trova all'interno dei giardini è stata scelta da Luigi Einaudi come residenza estiva nel settennio della sua presidenza della Repubblica (1948-1955)[2].