En 1563, avec le transfert de la capitale du duché de Chambéry à Turin, Emmanuel-Philibert de Savoie établit sa résidence dans le palais de l’évêque, près du Duomo.
Cependant, dès 1584, Charles-Emmanuel Ier confia à l’architecte Ascanio Vittozzi la construction d’un nouvel édifice. Après 1643, durant la régence de Marie-Christine de France, la direction des travaux passa à Carlo di Castellamonte, puis à Carlo Morello.
Parallèlement, on procéda à l’ameublement des salles de parade au premier étage, caractérisées par leurs riches plafonds en bois sculpté et doré ornés de grandes toiles allégoriques de Jan Miel et Charles Dauphin, dont les sujets exaltent les vertus du souverain selon un programme iconographique dicté par le rhéteur de cour Emmanuel Tesauro.
En 1688, le peintre Daniel Seiter fut appelé de Rome pour fresquer la galerie désormais appelée « galerie de Daniel ». Seiter, assisté du peintre génois Bartolomeo Guidobono, intervint également dans l’appartement au rez-de-chaussée, appelé ensuite de Madame Félicité. À la fin du XVIIe siècle, la disposition du jardin fut revue et agrandie par le célèbre architecte français André Le Nôtre.
Lorsque Vittorio Amedeo II obtint le titre royal en 1713, fut créée la dite « zone de commandement », annexée au palais et constituée des Secrétariats, des Bureaux, du Théâtre Royal et des Archives d’État.
Le metteur en scène de ces interventions fut l’architecte messin Filippo Juvarra, qui réalisa à l’intérieur du palais l’audacieuse Escalier des Ciseaux et le Cabinet Chinois. Plusieurs pièces sont ornées de peintures de Claudio Francesco Beaumont, peintre officiel de Charles-Emmanuel III, monté sur le trône en 1730.
Au départ de Juvarra pour Madrid, la charge de premier architecte royal passa à Benedetto Alfieri, qui définît les décors des appartements au deuxième étage, renouvela la Galerie de Daniel et aménagea les nouvelles chambres des Archives, fresquées par Francesco De Mura et Gregorio Guglielmi.
À l’époque de Charles-Albert (1831-1849), plusieurs salles du piano nobile furent rénovées sous la direction du Bolognais Pelagio Palagi, telles que le Salon des Suisses et la Salle du Conseil, ainsi qu’une partie des appartements au deuxième étage.
À l’approche de l’Unité d’Italie, en 1862, fut réalisé le nouvel escalier d’honneur. Avec le transfert de la capitale de Turin à Florence puis à Rome, le palais perdit progressivement ses fonctions de résidence ; depuis 1955, il est confié à la Soprintendenza per i Beni Architettonici e Paesaggistici.
