元々この場所には後にローマ教皇パウルス3世となるアレッサンドロ・ファルネーゼが枢機卿だった時代に、5角形のプランをもつ1階建ての建築が建設されていたが、後に同名の孫アレッサンドロ・ファルネーゼの依頼で、1559年より建築家ジャコモ・バロッツィ・ダ・ヴィニョーラによって現在の姿への改築が開始された[1][2]。1573年にヴィニョーラは死去したが、その時点でおおむね建設は完了しており、彼の代表作のひとつとも見なされるようになった[3]。

フランスの外交使節として1580年 - 1581年にイタリアを巡ったミシェル・ド・モンテーニュはパラッツォ・ファルネーゼにも立ち寄り、その著作『旅日記[4]』において「イタリアでは名高い」、「これに比べるものを見なかった」として絶賛している[5]。

1746年、フランス王国の画家クロード・ジョセフ・ヴェルネは、スペイン国王フェリペ5世の王妃エリザベッタ・ファルネーゼのために『カプラローラのヴィッラの眺め』を描いた[6]。

ファルネーゼ家が1731年に断絶するとブルボン家が引き継ぎ、1973年からはイタリア政府が管理している[3]。21世紀現在では地下に博物館も併設されており、見学が可能な施設となっている[7]。