Le théâtre olympique est le premier exemple de théâtre stable couvert de la Renaissance. Il a été commandé à Palladio par l'Académie olympique, un cercle d'intellectuels humanistes dont l'architecte faisait également partie. Elle peut être considérée comme son testament, à la fois parce qu'il s'agit du dernier projet de Palladio, et en raison des références continues et explicites au monde classique. Le modèle principal est représenté par le plan des anciens théâtres romains, avec des gradins réservés aux spectateurs (la cavea) entourés d'une colonnade et d'une scène rectangulaire. L'élément le plus représentatif est cependant le monumental frontescena, inspiré des arcs de triomphe de Rome. Il se développe sur un double ordre corinthien au riche appareil sculptural, surmonté d'une autre bande horizontale, décorée de bas-reliefs représentant les 12 travaux d'Hercule. Les statues qui décorent le frontescena et le reste de l'intérieur représentent en vêtements romains les donateurs qui ont rendu possible la construction. À la mort de Palladio, les travaux furent confiés au jeune architecte de Vicence Vincenzo Scamozzi, créateur des décors architecturaux en bois qui s'ouvrent derrière les portails de la façade. Scamozzi a habilement utilisé le trompe-l'œil pour créer des illusions de perspective suggestives qui prolongent l'horizon à l'infini. Elles devraient représenter les sept rues de l'ancienne Thèbes, cadre du spectacle inaugural (l'Œdipe roi de Sophocle), mais en réalité, elles imitent les proportions parfaites de la ville idéale théorisée par les intellectuels de la Renaissance.