Im Jahr 1563, mit der Verlegung der Hauptstadt des Herzogtums von Chambéry nach Turin, etablierte Emanuele Filiberto von Savoyen seinen Wohnsitz im Palast des Bischofs, nahe dem Dom.
Bereits 1584 beauftragte jedoch Carlo Emanuele I. den Architekten Ascanio Vittozzi mit dem Bau eines neuen Gebäudes. Nach 1643, unter der Regentschaft von Maria Cristina von Frankreich, übernahm Carlo di Castellamonte die Bauleitung, gefolgt von Carlo Morello.
Parallel dazu wurden die Prunkräume im ersten Stock eingerichtet, charakterisiert durch reich geschnitzte und vergoldete Holzdecken mit großen allegorischen Gemälden von Jan Miel und Charles Dauphin, deren Themen die Tugenden des Herrschers gemäß einem ikonografischen Programm des Hofredners Emanuele Tesauro verherrlichen.
1688 wurde der Maler Daniel Seiter von Rom gerufen, um die Galerie zu fresco zu bemalen, die seitdem „Galerie des Daniel“ genannt wird. Seiter, unterstützt vom genuesischen Maler Bartolomeo Guidobono, arbeitete auch im Erdgeschoss-Appartement, später als Madama Felicita bekannt. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts wurde der Gartenplan vom berühmten französischen Architekten André Le Notre überarbeitet und erweitert.
Als Vittorio Amedeo II. 1713 den königlichen Titel erhielt, wurde die sogenannte „Kommandozone“ geschaffen, die an den Palast angrenzt und aus Sekretariaten, Büros, dem Königlichen Theater und den Staatsarchiven besteht.
Regisseur dieser Eingriffe war der aus Messina stammende Architekt Filippo Juvarra, der im Inneren des Palastes die gewagte Schere-Treppe und das Chinesische Kabinett realisierte. Verschiedene Räume sind mit Gemälden von Claudio Francesco Beaumont verziert, dem Hofmaler von Carlo Emanuele III., der 1730 den Thron bestieg.
Nach Juvarras Abreise nach Madrid übernahm Benedetto Alfieri das Amt des ersten königlichen Architekten, definierte die dekorativen Apparate der Appartements im zweiten Stock, erneuerte die Daniel-Galerie und richtete die neuen Archivzimmer ein, die von Francesco De Mura und Gregorio Guglielmi freskiert wurden.
Zur Zeit von Carlo Alberto (1831–1849) wurden unter der Leitung des Bolognesers Pelagio Palagi einige Räume des Hauptgeschosses erneuert, darunter der Schweizersaal und der Ratsaal, sowie Teile der Appartements im zweiten Stock.
Kurz vor der Einigung Italiens wurde 1862 die neue Ehrentreppe errichtet. Mit der Verlegung der Hauptstadt von Turin nach Florenz und dann nach Rom verlor der Palast allmählich seine Funktionen als Residenz; seit 1955 steht er unter der Verwaltung der Aufsichtsbehörde für Architektur- und Landschaftsschutz.
