L'histoire du bâtiment débuta lorsqu'Emmanuel-Philibert de Savoie décida en 1563 de transférer ici, à Turin, la capitale de son duché. Le choix de l'architecte pour le nouveau siège de la cour tomba sur Ascanio Vitozzi, un ingénieur militaire qui restera ensuite toujours au service des Savoie et qui contribua à la transformation urbaine de la ville.

Tout au long du XVIIe siècle, des architectes, des artistes et des artisans ont donné du lustre au siège de l'absolutisme émergent de Savoie. De précieuses tapisseries ont été apportées par les manufactures françaises de Beauvais et des Gobelins. Dans la seconde moitié du XVIIe siècle, Guarino Guarini construisit la chapelle du Saint-Suaire, sur l'abside de la cathédrale Saint-Jean. La famille de Savoie bénéficiait d'un accès direct, comme les touristes peuvent le faire aujourd'hui grâce à un passage intérieur.

Le palais ducal est devenu royal en 1713, lorsque Victor-Amédée II fut couronné roi de Sicile, et les deux décennies suivantes ont vu d'importantes interventions architecturales réalisées par Filippo Juvarra. Une nouvelle saison de splendeur eut lieu vers le milieu du XIXe siècle sous le règne de Charles-Albert mais, après l'unification de l'Italie en 1861, la capitale fut transférée tout d'abord à Florence, puis à Rome, et le bâtiment perdit sa fonction de cour.

Aujourd'hui, le palais forme un corps unique avec les Jardins royaux, la Bibliothèque et l'Armurerie royale, la Galerie Sabauda, le musée archéologique, les salles Chiablese et la chapelle du Saint Suaire, dénommé les Musées royaux.