Pałac wilanowski został zbudowany z inicjatywy króla Jana III jako podmiejska letnia rezydencja. Projekt jest dziełem Augustyna Locciego Młodszego, pracującego dla króla przez 20 lat jego rządów. Początkowo w Wilanowie stanął niewielki dwór, przypominający bardziej rezydencje ziemiańskie niż królewskie. Zasadniczą rozbudowę rozpoczęto już w latach 80. XVII wieku i kontynuowano do śmierci króla w 1696 roku.
Powstał wówczas reprezentacyjny pałac nawiązujący do francuskich rezydencji entre cour et jardin (między dziedzińcem a ogrodem), z elementami zaczerpniętymi z włoskiej architektury willowej. Bryła pałacu jest wyraźnie symetryczna, podzielona na część północną, o dekoracjach związanych z królową Marią Kazimierą, i południową – „przynależącą” do króla Jana III. Dekoracje fasady od dziedzińca sławią cnoty królewskie i dokonania polityczno-militarne monarchy, wyraźnie odwołują się do wzorców antycznych. W centrum fasady nad głównym wejściem postacie fam z trąbami głoszą dewizę „Sociant cum pace triumphos” (Łączą z pokojem triumfy). Jest to streszczenie filozofii monarchy, który dobrobyt Rzeczpospolitej chciał oprzeć nie tylko na zwycięstwach militarnych, ale i na pokojowych rządach, zapewniających rozwój nauk, sztuk i uprawy roli. Znajdująca się na szczycie fasady kompozycja ze słońcem i złotymi tarczami oraz cytatem z biblijnej Księgi Machabeuszy: „Refulsit sol in clypeis” (Rozbłysło słońce na tarczach) odnosi się do herbu Sobieskich Janina – gładkiej tarczy, symbolizującej zarówno opiekę i ochronę, jak i czystość cnót.
Dekoracja fasady ogrodowej nawiązuje do jednego z najbardziej „tajemniczych” dzieł starożytności, tzw. IV eklogi Wergiliusza i w pewnych punktach pozostaje zagadką do dzisiaj. Symbolika astrologiczna, odnosząca się do upływającego czasu, została tu podporządkowana wizji wprowadzenia dynastycznych rządów w Rzeczpospolitej i promocji najstarszego syna Jana III, Jakuba Ludwika, na tron polski. Jednocześnie jest tu wyrażone przekonanie, że po okresie niepokojów i wojen Rzeczpospolitą pod rządami Sobieskich czeka nadejście upragnionego złotego wieku.
Zamierzeniem Jana III była budowa pałacu ze skrzydłami bocznymi, jednak śmierć monarchy przerwała prace. Kontynuowała je Elżbieta Sieniawska, która zakupiła Wilanów od Konstantego Sobieskiego, najmłodszego syna Jana Sobieskiego w 1720 roku. Z jej polecenia wybudowano skrzydła boczne według projektu Giovanniego Spazzia, który nawiązał do istniejącej architektury i planów z epoki Jana III. Program treściowy skoncentrował się tym razem wokół przedstawień zaczerpniętych z „Metamorfoz” Owidiusza. Na przełomie lat 20. i 30. XVIII wieku południowa elewacja południowego skrzydła została przebudowana według projektu Zygmunta Deybla.
W ostatniej ćwierci XVIII wieku z polecenia Izabeli Lubomirskiej Szymon Bogumił Zug zaprojektował wokół dziedzińca trzy budynki – wolnostojące Kordegardę i Kuchnię oraz przylegającą do pałacu Łazienkę. Wszystkie one prezentują już styl wczesnego klasycyzmu zarówno w uproszczeniu bryły, jak i w dekoracji architektonicznej.
W połowie XIX wieku przebudowano w stylu neorenesansowym północną elewację północnego skrzydła, wzbogacając ją o dekorację prezentującą wszystkich właścicieli Wilanowa, o których przypominają ich medalionowe portrety i herby rodowe. Na początku XX wieku dobudowano piętro do istniejącego budynku Łazienki.