El Teatro Olimpico es una de las maravillas artísticas de Vicenza. Durante el Renacimiento, un teatro no era un edificio en sí mismo, como lo sería más tarde, sino un arreglo temporal de un espacio exterior o de un edificio existente; en Vicenza, estos espacios eran los patios de los palacios o la sala del Palazzo della Ragione.

En 1580, a la edad de 72 años, Palladio recibió el encargo de diseñar un teatro permanente por parte de la Accademia Olimpica, el grupo cultural al que él mismo pertenecía. El diseño se inspira claramente en los teatros romanos, tal como los describe Vitruvio: un auditorio elíptico en terrazas, enmarcado por una columnata, con un friso rematado por estatuas. Delante de él se encuentra el escenario rectangular y un majestuoso proscenio con dos órdenes de arquitectura, abierto por tres arcadas y dividido por semicolumnas en cuyo interior se encuentran aediculae y nichos con estatuas y paneles con bajorrelieves.

Los críticos llaman a la obra “manierista” debido al intenso efecto de luces y sombras, intensificado también por una serie de otras soluciones ópticas utilizadas por el arquitecto gracias a su experiencia: la disminución progresiva de las fachadas con la altura se compensa visualmente con las estatuas salientes; juega con voladizos y nichos para aumentar la sensación de profundidad.

El diseño de Palladio se realizó pocos meses antes de su muerte, por lo que no llegó a ver el resultado; su hijo Silla supervisó las obras y entregó el teatro a la ciudad en 1583. La primera representación durante el Carnaval de 1585 fue memorable; su tema fue la tragedia griega Edipo Rey de Sófocles, y el diseño del escenario reproduce las siete calles de la ciudad de Tebas, visibles en las cinco aberturas del proscenio mediante un ingenioso juego de perspectivas. El creador de esta pequeña maravilla dentro de la maravilla es Vincenzo Scamozzi. El efecto fue tan impresionante que las estructuras de madera se convirtieron en una parte estable del teatro. A Scamozzi también se le pidió crear espacios accesorios: el “Odeo”, la sala donde se celebraban las reuniones de la Accademia, y el “Antiodeo”, decorado con paneles monocromos por el pintor vicentino Francesco Maffei.

La fama del nuevo teatro se difundió primero en Venecia y luego por toda Italia, despertando la admiración de todos aquellos que veían realizado el sueño humanista del arte clásico renacido. Posteriormente, a pesar de un inicio tan prometedor, la actividad del teatro fue interrumpida por la censura durante la Contrarreforma, y se convirtió en un simple lugar de representación: el papa Pío VI fue recibido allí en 1782, así como el emperador Francisco I de Austria en 1816 y su heredero Fernando I en 1838.
A mediados del siglo XIX hubo representaciones clásicas ocasionales, pero no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial, con desaparecida la amenaza de los bombardeos, que se retomaron, en un teatro que no tiene igual en el mundo.