Nel 1563, quando Torino divenne capitale del ducato, Emanuele Filiberto di Savoia stabilì la propria residenza nel palazzo del vescovo, ma già nel 1584 Carlo Emanuele I affidò ad Ascanio Vitozzi la costruzione di una nuova fabbrica. Dopo il 1643 la direzione dei lavori passò ad Amedeo di Castellamonte e quindi a Carlo Morello; intanto si procedeva all’arredo delle sale del primo piano, con i soffitti  intagliati e dorati e le grandi tele allegoriche di Jan Miel e Charles Dauphin, i cui soggetti esaltano le virtù del sovrano secondo il programma del retore di corte Emanuele Tesauro.

Nel 1688 Daniel Seyter venne chiamato da Roma per affrescare la galleria da allora detta “del Daniel”. Seyter, affiancato dal genovese Bartolomeo Guidobono, intervenne anche nell’appartamento al pianterreno, detto poi di Madama Felicita. Sul finire del Seicento, l’impianto del giardino fu rivisto e ampliato dal celebre architetto francese André Le Notre. Quando Vittorio Amedeo II ottenne il titolo regio, nel 1713, fu creata la cosiddetta “zona di comando”, annessa al palazzo e costituita da Segreterie,  Uffici, Teatro Regio e  Archivi di Stato.

Regista di tali interventi fu Filippo Juvarra, che realizzò anche la Scala delle Forbici e il Gabinetto Cinese. La carica di primo architetto regio passò poi a Benedetto Alfieri, che definì gli apparati decorativi degli appartamenti al secondo piano e allestì le nuove camere degli Archivi, affrescate da Francesco De Mura e da Gregorio Guglielmi.

Al tempo di Carlo Alberto (1831-1849) furono rinnovate, sotto la direzione di Pelagio Palagi, alcune sale del piano nobile, quali il Salone degli Svizzeri e la Sala del Consiglio, e altri ambienti al secondo piano; nel 1862 fu realizzato il nuovo scalone d’onore. Con il trasferimento della capitale da Torino a Firenze e poi a Roma, il palazzo perse progressivamente le sue funzioni di residenza. Dal 1955 è stato in consegna alla Soprintendenza per i Beni Architettonici e Paesaggistici; oggi è parte dei Musei Reali.