Król Jan III nabył posiadłość Milanów w 1677 roku. Z jego inspiracji i pod jego czujnym okiem w kolejnych latach powstał tu barokowy pałac, wznoszony pod kierunkiem Augustyna Wincentego Locciego. Wokół pałacu założono wspaniałe ogrody, folwark z budynkami gospodarczymi oraz zwierzyniec. Wilanowska rezydencja, położona w pobliżu Warszawy, zapewniała Janowi III i jego rodzinie wytchnienie, równocześnie była na tyle blisko Zamku Królewskiego – oficjalnej siedziby króla, Sejmu i Senatu, że monarcha nie tracił kontroli nad biegiem zdarzeń.
Za czasów Jana III pałac składał się z korpusu z galeriami ogrodowymi i wieżami, poprzedzonego dwudzielnym dziedzińcem. We wnętrzach na szczególną uwagę zasługiwały dekoracje antykamer i sypialń króla i królowej, w których nadworny malarz Jerzy Eleuter Szymonowicz-Siemiginowski wymalował na plafonach cykl czterech pór roku. Pomieszczenie królewskiej biblioteki zdobił piękny wystrój malarsko-sztukatorski, a w galeriach ogrodowych można było podziwiać freski przedstawiające pochodzącą ze starożytności historię Amora i Psyche. Wszystkie te dekoracje szczęśliwie zachowały się do dnia dzisiejszego.
Skrzydła boczne pałacu zostały zbudowane z inicjatywy kolejnej właścicielki Wilanowa, Elżbiety Sieniawskiej, według projektu Giovanniego Spazzia w latach 1720-1729. Sieniawska zdecydowała się na nawiązanie do architektury korpusu pałacu, pochodzącego z czasów Jana Sobieskiego, dzięki czemu cała kompozycja stanowi tak harmonijną całość. We wnętrzach powstało wiele nowych dekoracji sztukatorskich i malarskich, a te z czasów króla Jana III zostały pieczołowicie odrestaurowane.
W ostatniej ćwierci XVIII wieku ówczesna właścicielka Izabela Lubomirska zleciła architektowi Szymonowi Bogumiłowi Zugowi zbudowanie wokół dziedzińca budynków Kordegardy, Kuchni i Łazienki. Mimo, iż prezentują one już styl wczesnoklasycystyczny, ich elegancka architektura znakomicie współgra z barokowym pałacem. Również z polecenia Lubomirskiej południowa część ogrodu została przekształcona w stylu angielsko-chińskim.
Izabela Lubomirska przekazała posiadłość córce Aleksandrze i jej mężowi Stanisławowi Kostce Potockiemu. Z ich inicjatywy w 1805 roku w pałacu wilanowskim otwarto muzeum, dostępne dla ludzi wszystkich stanów. Kolekcja dzieł sztuki, zapoczątkowana już przez Jana III i powiększona przez kolejnych właścicieli, została wzbogacona zakupami Potockich. W pałacu wilanowskim prezentowano zarówno apartamenty królewskie Jana III i Marii Kazimiery wraz z pamiątkami po rodzinie Sobieskich, jak i znakomitą kolekcję sztuki europejskiej, polskiej i orientalnej. Znalazły się w niej wybitne przykłady malarstwa (dzieła m.in. Lucasa Cranacha, Jana Lievensa, Petera Paula Rubensa, Pompea Batoniego, Angeliki Kaufmann, Antona Graffa), waz antycznych, porcelany oraz rzemiosła artystycznego, a także niezwykle interesujące zbiory przedmiotów pochodzących z krajów azjatyckich . Perłą zbiorów do dziś pozostaje „Portret konny Stanisława Kostki Potockiego” Jacquesa-Louisa Davida – jedyne dzieło wielkiego malarza w zbiorach polskich.
Z inicjatywy Stanisława Kostki Potockiego przekształcono rozciągający się na północ od pałacu ogród w stylu angielskim. W XIX wieku powstały w nim m.in. stylizowana na orientalną Altana Chińska, Most Rzymski łączący ogrody z wyspą, czy inspirowany architekturą średniowieczną budynek Pompowni. Na przeciwległym brzegu Jeziora Wilanowskiego powstało założenie ogrodowe Morysin. W XIX wieku przy południowym skrzydle pałacu założono piękny ogród różany, nawiązujący do form neorenesansowych. Dekoracje ogrodu włoskiego na tarasie górnym i dolnym zachowały charakter, jaki nadał im Jan III.
W XIX wieku prace przy pałacu koncentrowały się głównie na przebudowie wnętrz i dostosowaniu ich do funkcji muzealnych i mieszkalnych. W połowie tego stulecia północną elewację północnego skrzydła przebudowano w stylu neorenesansowym. Nieustająco powiększano również kolekcję sztuki. Ostatnim rodem arystokratycznym posiadającym Wilanów przed drugą wojną światową byli Braniccy.
Po drugiej wojnie światowej pałac wilanowski przeszedł na własność państwa, po szeroko zakrojonych pracach konserwatorskich został otwarty dla publiczności w 1962 roku jako oddział Muzeum Narodowego w Warszawie. Od 1995 roku jest to samodzielna instytucja podległa Ministerstwu Kultury i Dziedzictwa Narodowego. Na początku XXI wieku przeprowadzono kompleksowe prace rewitalizacyjne fasad pałacu, najcenniejszych wnętrz (m.in. apartamentów królewskich, Pokoi Chińskich i Myśliwskich) oraz ogrodów, wraz z terenem przedpola.