La propriété Milanów a été acquise par le roi Jan III Sobieski en 1677. C’est sous son inspiration et son œil attentif que dans les années suivantes on a construit ici un palais baroque dont le projet a été confié à Augustyn Wincenty Locci. Autour du palais on a créé de magnifiques jardins, une ferme avec des bâtiments et un parc animalier. La résidence de Wilanów, située à proximité de Varsovie, assurait au roi Jan III Sobieski et à sa famille des moments de repos nécessaires. En même temps elle était assez près du Château Royal – siège officiel du roi, de la Diète et du Sénat, que le souverain pouvait contrôler le cours des événements.
A l’époque de Jan III Sobieski le palais se composait d'un corps central, des galeries de jardins et des tours et il était précédé d’une cour bilobé. Les ailes latérales ont été construites dans les années 1720-1729, par l’initiative de la propriétaire successive de Wilanów - Elżbieta Sieniawska, selon le projet de Giovanni Spazzio. Sieniawska a décidé de renouer avec l’architecture du corps principal du palais, datant de l’époque de Jan III Sobieski, de sorte que la composition constitue un ensemble très harmonieux.
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Dans le dernier quart du XVIIIe siècle, la propriétaire d’alors Izabela Lubomirska a confié à son architecte Szymon Bogumił Zug la construction de « Kordegarda » (Garde de Corps), de la Cuisine et des Bains. Bien que ces bâtiments représentent le style du début de l’époque classique, leur architecture élégante harmonise magnifiquement avec le palais baroque. Aussi par l’inspiration de Lubomirska, la partie sud du jardin a été transformée dans le style anglo-chinois.
Izabela Lubomirska a transmis la propriété à sa fille Alexandra et à son mari Stanislas Kostka Potocki. Par leur initiative en 1805 dans le palais de Wilanów on a créé un musée ouvert pour les gens de toutes les classes. La collection d’œuvres d’art, constituée déjà par Jan III et agrandie par les propriétaires suivants a été enrichie par les achats de la famille Potocki. Dans le palais de Wilanów on a ouvert au public les appartements royales du roi Jan III et de la reine Marie-Casimire, avec les souvenirs de la famille Sobieski, et aussi une collection exceptionnelle d’art éuropéen, polonais et oriental. Elle se composait d’exemples remarquables de peinture (notamment des œuvres de Lucas Cranach, Jan Lievens, Peter Paul Rubens, Pompée-Jeróme Batoni, Angelica Kauffmann, Anton Graff), de vases antiques, biscuits, objets issus de l’artisanat oriental. La perle rare de cette collection est le « Portrait équestre de Jan Kostka Potocki » de Jacques-Louis David – la seule œuvre de ce grand peintre dans la collection polonaise.
Par initiative de Stanislas Kostka Potocki le jardin de style anglais, situé au nord du palais, a été transformé. Au XIXe siècle on y a construit une Tonnelle chinoise de style oriental, un Pont romain reliant les jardins avec l’île ou, inspiré par l’architecture moyenâgeuse, un bâtiment de la Station de Pompes. Sur la rive opposée du Lac de Wilanów on a créé un parc paysager Morysin. Aussi au XIXe siècle auprès de l’aile sud du palais une belle roseraie a été créée renouant avec les formes de la néo-renaissance. Les décorations du jardin italien à la terrasse supérieure et inférieure ont gardé le même caractère que le roi Jan III leur a données.
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Au XIXe s. les travaux menés au palais se concentraient surtout sur la transformation des interieurs et leur adaptation pour qu’ils puissent faire fonction de musée et aussi résidentielle. Dans la moitié de ce siècle, la façade de l’aile nord du palais a été transformée dans le style de néo-renaissance. On enrichissait systématiquement la collection d’art. La dernière famille aristocratique qui possédait Wilanów avant la Deuxième Guerre mondiale c’étaient les Branicki.
Après la Deuxième Guerre mondiale, après des travaux de conservation de grande envergure le palais de Wilanów est devenu propriété de l'État. Il a été ouvert au public en 1962 en tant que filiale du Musée National de Varsovie. Dès 1995, le palais est une institution indépendante, rattachée au Ministère de la Culture et du Patrimoine National. Au début du XXIe siècle on a effectué de travaux de revitalisation des façades du palais, des intérieurs les plus précieux (notamment les appartements du roi, Cabinets Chinois et de Chasse) ainsi que des jardins avec le terrain de l’avant-plan.
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