L'histoire du Palais de Wilanów commence le 23 avril 1677 lorsque le village du lieu, Milanów, devient la propriété du roi polonais Jean III Sobieski. Peu de temps après, une nouvelle appellation est proposée, celle de Villa Nova pour se référer aux traditions d'antan, modifiée ensuite en Wilanów, de consonance bien plus polonaise.
La résidence qui y est construite est de dimensions relativement modestes puisque l'architecte de la cour royale, Augustyn Locci, se voit confier un projet de manoir sans étage, d'un agencement typique pour l'époque en République de Pologne [la Pologne était alors un royaume et en même temps une république nobiliaire, système spécifiquement polonais donnant aux nobles une part importante dans la vie politique du pays - NDT]. Cependant, les succès militaires du monarque polonais et la renommée qui s'ensuit contribuent à une extension considérable du projet initial. L'agrandissement de la demeure est réalisé au cours des années 1677-1696. En résultat, l'édifice porte les traits aussi bien d'une résidence nobiliaire polonaise que d'une villa italienne dotée d'un jardin, et d'un palais français de style Louis XIV.
Après la mort du roi en 1696, la résidence passe aux mains de ses fils, puis, en 1720, le palais en déclin est racheté par l'une des plus riches Polonaises de l'époque - Elżbieta Sieniawska. Pendant les 9 années qui suivent, elle continue les travaux entrepris par Sobieski. Sont alors édifiées les ailes latérales, prévues par le roi mais qu'il n'a pu réaliser de son vivant. Après la mort de Sieniawska, c'est sa fille Maria Zofia Denhoffowa, épouse Czartoryska, qui hérite du palais. En 1730, le palais se trouve pour trois ans entre les mains du roi Auguste II de Saxe (dit « le Puissant »), qui y réalise de nombreuses modifications, plus particulièrement en ce qui concerne le décor intérieur.
Vers la moitié du XVIIIe siècle, c'est la duchesse Izabela, fille des époux Czartoryski et femme du maréchal Lubomirski, qui hérite des biens de Wilanów ; sous sa gouverne, Wilanów revient à son éclat premier.
Soixante-neuf ans plus tard, la duchesse Lubomirska cède Wilanów à sa fille et son époux Stanislas Kostka Potocki. C'est grâce aux efforts de celui-ci qu'en 1805 est ouvert à Wilanów l'un des premiers musées de Pologne. Les Potocki sont restés liés à Wilanów jusqu'en 1892, date à laquelle la dernière héritière de la famille, Alexandra, lègue ses biens à son cousin, Ksawery Branicki. Les Branicki habitent à Wilanów jusqu'en 1945 ; c'est alors que le palais est repris par le Ministère de la Culture et des Arts.
Le Palais de Wilanów fait partie des rares monuments historiques de Varsovie qui ont réchappé aux désastres causés par la Seconde guerre mondiale.