Emanuele Filiberto, in seguito alla decisione di stabilire a Torino la capitale del ducato, bandisce nel 1583 un concorso aperto ai maggiori architetti del tempo per la progettazione della nuova residenza ducale. Vince il bolsenate Ascanio Vitozzi, un ingegnere militare che rimarrà al servizio dei Savoia fino alla sua morte (1615), contribuendo in modo decisivo alla trasformazione urbanistica di Torino. Il nuovo Palazzo Ducale sorge sul margine nord-est della città con orientamento ribaltato rispetto alle strutture preesistenti - il palazzo del Vescovo, antica sede dei duchi - rivolte verso gli edifici simbolo della città vecchia, il Duomo e il palazzo di Città. La facciata viene già eseguita nel 1586 con una grande galleria che univa, sul lato destro, la corte al castello. Durante la reggenza di Maria Cristina, al Vitozzi succedono Carlo di Castellamonte e Carlo Morello. A quest'ultimo si deve la costruzione del padiglione, il braccio del palazzo che chiudeva la piazzetta Reale collegando l'ala della galleria con palazzo Chiablese: andato distrutto a inizio '800, il padiglione ospitava la Sindone in occasione delle periodiche esposizioni della preziosa reliquia. Per tutto il corso del '600 il palazzo è un fervido laboratorio di artisti e artigiani chiamati a rendere splendida la reggia dell'emergente assolutismo sabaudo. Tra il 1667 e il 1668 Guarino Guarini costruisce sull'abside della cattedrale di S. Giovanni la cappella della Sindone, alla quale la corte può accedere direttamente grazie a un collegamento con l'ala sinistra del Palazzo Reale. Nel gabinetto cinese ha lasciato segni del suo passaggio (l'affresco nel soffitto: il giudizio di Paride) anche il pittore Claudio Francesco Beaumont, già autore degli affreschi nella galleria a lui intitolata. Intorno alla metà degli anni '30 Benedetto Alfieri succede a Juvarra e continua nell'opera di arricchimento decorativo. Dopo l'intervallo napoleonico, che al palazzo porterà più spoliazioni che incrementi, sarà nel corso del regno di Carlo Alberto che il luogo, tornato a essere simbolo del cuore del potere, conoscerà una nuova stagione di splendore in gran parte sotto la regia dell'architetto bolognese Pelagio Palagi. Il profondo adattamento delle sale di rappresentanza risente dei nuovi gusti stilistici che variano dal recupero archeologico di temi e motivi dell'antico Egitto al successivo revival gotico. Sono trascorsi soltanto due anni dall'unità d'Italia quando si compie l'ultima notevole trasformazione architettonica dell'edificio: la completa ristrutturazione del grande scalone d'onore, opera di Domenico Ferri, che celebra con la sua monumentale statuaria la gloria sabauda (si noti in particolare un Carlo Alberto di Vincenzo Vela). Tuttavia, con il trasferimento della capitale del regno da Torino a Firenze, e poi a Roma, il palazzo perde sempre più la sua funzione di residenza di corte e si trasforma con il tempo in luogo di memorie storiche e artistiche. Passato nel secondo dopoguerra sotto il controllo della Soprintendenza per i Beni ambientali e architettonici del Piemonte, attualmente è visitabile solo in parte dei suoi ambienti. Dietro il palazzo, e strettamente correlati alle sue vicende storico-architettoniche, si estendono i Giardini Reali, racchiusi all'interno delle fortificazioni secentesche.