Ripercorrere le vicende storiche che hanno portato all'attuale struttura del Palazzo è un'opera assai complessa, che spesso gli storici ricostruiscono in maniera discordante. Vi sono, d'altra parte alcune tappe fondamentali che possono guidare la ricostruzione.

Nel 1563 il duca Emanuele Filiberto decide di spostare la capitale del ducato da Chambery a Torino; sarà il figlio, Carlo Emanuele I a insediarsi a Torino, in quello che era allora il palazzo vescovile situato alle spalle del Duomo preferendolo all'alternativo castello medioevale che ancora oggi sorge in mezzo alla piazza e che, grazie a successivi rimaneggiamenti, sarebbe diventato Palazzo Madama.

L'elezione del palazzo vescovile a residenza ducale, richiese opportuni lavori di restauro di cui si occupò l'Orvietano Ascanio Vitozzi, ma la sua scomparsa prima e la morte del duca committente poi (1630) rallenteranno i lavori.

A dare un impulso decisivo alla loro ripresa sarà una donna, la reggente Maria Cristina di Francia, nota a tutti i torinesi come Madama Cristina: conferirà l'incarico ad Amedeo di Castellamonte che si occuperà di portare a termine quello che Vitozzi e già suo padre Carlo di Castellammonte avevano cominciato.

Vennero erette in quel periodo due gallerie: la prima che univa il Palazzo al Castello al centro della piazza, e la seconda, costruita appositamente per l'ostenzione della Sindone delimitava, come oggi fa la cancellata del Palagi con i suoi due Diòscuri, il confine tra Piazza Castello e il largo denominato Piazzetta Reale, antistante al palazzo. Entrambe queste maniche sono state cancellate dall'attuale panorama della piazza: la prima nel 1801 ad opera delle truppe francesi, la seconda in un incendio che l'ha totalmente distrutta.

Gli stili caratterizzanti il palazzo sono tre: barocco, rococò e neoclassico. La sua facciata, restaurata negli ultimi anni, è tornata al suo colore originario, cioè il bianco.

Oggi Palazzo Reale è sede dell'omonimo museo che consente di ammirare una delle più sontuose dimore reali d'Europa. Le sue sale contengono le opere e gli arredi realizzati nei tre secoli in cui fu abitato dai Savoia.

Dietro a Palazzo Reale si estendono i Giardini Reali, opera dell'architetto André Le Nôtre, e visitabili nelle ore di apertura al pubblico.