Il vero nome è Andrea di Pietro della Gondola. Figlio del mugnaio Pietro della Gondola e di Marta detta la zota, nel 1521 diventa garzone alla bottega padovana di Bartolomeo Cavazza da Sossano. Nel 1528 si trasferisce a Vicenza per lavorare come lapicida (artigiano esperto nella lavorazione della pietra e del marmo) nella bottega di Giovanni da Pedemuro.

Nel 1537 il poeta e umanista Giangiorgio Trissino gli commissiona la costruzione della propria villa a Cricoli e lo introduce nei circoli culturali veneti sotto il nome di Palladio. Con Trissino viaggia per l'Italia. Conosce da vicino i monumenti antichi e la produzione dei grandi architetti attivi a Roma nel Cinquecento: Giovanni Maria Falconetto, Michele Sanmicheli, Jacopo Tatti detto il Sansovino, Giulio Romano. Fondamentale per il suo stile il Trattato di Sebastiano Serlio. Nel 1549 il Consiglio dei Cento di Vicenza gli affida la ricostruzione del Palazzo della Ragione, la Basilica. Il 26 agosto 1540 diventa architetto. Completa la Basilica nel 1514 racchiudendo il vecchio edificio gotico in un involucro classicheggiante.

Nel 1550 muore il Trissino e Palladio entra nella cerchia del prelato veneziano Daniele Barbaro. Dal 1550 al 1552 va a Sirmione, Trento e Innsbruck. Per Barbaro esegue nel 1556 le illustrazioni di un'edizione del De Architectura di Marco Pollione Vitruvio e compila il volume L'antichità di Roma. Nel 1570 diventa architetto ufficiale della Serenissima e pubblica nello stesso anno I quattro libri dell'architettura. In questo testo prende in esame i fondamenti teorici, gli edifici privati, la costruzione della città e i templi. Il Palladio analizza gli elementi morfologici classici dei monumenti antichi e li reinterpreta in un linguaggio architettonico nuovo.

A Vicenza costruisce numerosi palazzi: nel 1550 Palazzo Chiericati, dal 1565 al 1566 Palazzo Valmarana, nel 1571 l'incompiuta Loggia del Capitanio. Crea delle ville nell'entroterra veneto per il patriziato veneziano: Villa Almerico-Capra - più conosciuta come la Rotonda - vicino Vicenza, Villa Pisani a Montagnana, Villa Foscari - la Malcontenta - presso Mira, Villa Barbaro a Maser, Villa Emo Capodilista a Fonzolo.

Realizza due chiese a Venezia: S. Giorgio Maggiore nel 1566 e la chiesa del Redentore dal 1577 al 1592. L'opera più conosciuta del Palladio è il Teatro Olimpico: lo inizia nel 1579 su commissione dell'Accademia Olimpica che lo voleva adibito alla recitazione della tragedia greca. Dopo la morte del Palladio, nel 1580, lo termina Vincenzo Scamozzi.