Parte traseira do Palazzo Vecchio, onde são bem visíveis as ampliações sucessivas ocorridas ao longo dos séculos; No ângulo superior vê-se o Terraço de Saturno.

No final do século XIII, as autoridades da cidade de Florença decidiram construir um palácio de modo a assegurar uma eficaz protecção aos magistrados naqueles tempos turbulentos e, ao mesmo tempo, celebrar a sua importância. O desenho do palácio é atribuído a Arnolfo di Cambio, arquitecto do Duomo e da Basílica da Santa Cruz, o qual começou a construí-lo em 1299. O edifício, chamado na época de Palazzo dei Priori (Palácio dos Priores), foi construído sobre as ruínas do Palazzo dei Fanti (Palácio dos Fanti) e do Palazzo dell'Esecutore di Giustizia (Palácio do Executor de Justiça), antes pertencente à família gibelina dos Uberti, caçada em 1266. Incorporou a antiga torre da família Vacca, utilizando-a como parte baixa da torre existente na fachada. Esta é a razão pela qual a torre rectangular (94 m.) não é o centro do edifício. Depois da morte de Arnolfo, em 1302, o palácio foi terminado por outros dois artistas, em 1314.

A partir de então passou a ser a sede da Signoria, ou do conselho citadino chefiado pelos Priores (entre os quais Dante Alighieri, em 1300), e do Gonfaloneiro de Justiça, uma via intermédia entre um prefeito e um chefe de governo, com um cargo que, no entanto, durava um período de tempo muito breve.

O palácio actual é, porém, fruto de outras construções e ampliações sucessivas, levadas a cabo entre o século XIII e o século XVI. O Duque de Atenas, Gualtieri di Brienne, iniciou a primeira modificação no período compreendido entre 1342 e 1343, aumentando-o em direcção à Via della Ninna e dando-lhe o aspecto de uma fortaleza. Outras modificações importantes ocorreram entre 1440 e 1460 a mando de Cosme de Médici, com a introdução das decorações em estilo renascentista na Sala dei Dugento e no primeiro pátio de Michelozzo. O Salone dei Cinquecento (Salão dos Quinhentos) foi construído em 1494, durante a República de Savonarola.

 O postigo para as fugas de emergência, mandada construir pelo Duque de Atenas.

Entre 1540 e 1550 o palácio serviu de residência a Cosme I de Médici, o qual encarregou Vasari de alargar a parte posterior do palácio para assegurar as necessidades da Corte Ducal. O palácio duplicou, desta forma, o seu próprio volume ao juntar-se à sua parte posterior. A última ampliação remonta aos finais do século XVI, quando Battista del Tasso e Bernardo Buontalenti organizaram a parte posterior, dando-lhe o aspecto que apresenta até à actualidade.

O nome foi mudado oficialmente quando Cosme se instalou no Palazzo Pitti, em 1565, e chamou à residência precedente Palazzo Vecchio, enquanto a Piazza della Signoria mantinha o seu nome. Vasari construiu, então, um passadiço elevado, o Corridoio Vasariano (Corredor Vasariano), o qual liga, até aos dias de hoje, o Palazzo Vecchio ao Palazzo Pitti, atravessando o Arno sobre a Ponte Vecchio. Cosme I, por outro lado, instalou a administração governamental e os magistrados na adjacente Galleria degli Uffizi.

O palácio ganhou nova importância ao ser sede do governo nacional, no período compreendido entre 1865 e 1871, quando Florença se tornou capital do Reino de Itália.

Embora grande parte do Palazzo Vecchio seja, actualmente, um museu, ainda se mantém como símbolo do governo local, sendo, de facto, sede da Comuna de Florença e do Conselho Comunal.