Театро Олимпико — одно из художественных чудес Виченцы. В эпоху Возрождения театр не был самостоятельным зданием, как это будет позже, а представлял собой временную организацию открытого пространства или уже существующего здания; в Виченце такими пространствами были дворы дворцов или зал Палаццо делла Раджоне.

В 1580 году, в возрасте 72 лет, Палладий получил заказ от Академии Олимпика, культурного объединения, членом которого он сам был, спроектировать постоянный театр. Проект явно вдохновлён римскими театрами, как описано Витрувием: эллиптический террасированный аудиториум, обрамлённый колоннадой, с фризом, увенчанным статуями. Перед ним расположена прямоугольная сцена и величественный проскений с двумя архитектурными ярусами, открытый тремя аркадами и разделённый полуколоннами, внутри которых находятся эдикулы и ниши со статуями и панелями с барельефами.

Критики называют произведение «маньеристским» из-за интенсивного эффекта света и тени, который усиливается рядом других оптических решений, использованных архитектором благодаря его опыту: постепенное уменьшение фронтов по высоте визуально компенсируется выступающими статуями; он играет с выступами и нишами, чтобы усилить ощущение глубины.

Проект Палладия был создан за несколько месяцев до его смерти, и он не увидел результат; его сын Силла наблюдал за работами и передал театр городу в 1583 году. Первая постановка на карнавале 1585 года была памятной; её темой была греческая трагедия Царь Эдип Софокла, а сценография воспроизводила семь улиц города Фивы, видимых через пять проёмов проскения благодаря умелой игре перспектив. Создателем этого маленького чуда в чуде был Винченцо Скамозци. Эффект был настолько впечатляющим, что деревянные конструкции стали постоянной частью театра. Скамозци также поручили создать вспомогательные помещения: «Одео», зал, где проходили заседания Академии, и «Антиодео», украшенный монохромными панелями выдающегося художника из Виченцы Франческо Маффеи.

Слава нового театра сначала распространилась на Венецию, а затем по всей Италии, вызывая восхищение у всех, кто видел осуществление гуманистической мечты возрожденного классического искусства. Впоследствии, несмотря на такой впечатляющий старт, деятельность театра была прервана цензурой во времена Контрреформации, и он стал простым местом для представлений: папа Пий VI был принят там в 1782 году, а император Франц I Австрийский в 1816 году и его наследник Фердинанд I в 1838 году.
В середине XIX века иногда проходили классические постановки, но только после Второй мировой войны, когда угроза бомбардировок исчезла, они возобновились в театре, не имеющем себе равных в мире.