Figlio di Pietro della Gondola e di Marta detta "la zota", nacque a Padova il 30 novembre 1508. Di umili origini, iniziò la sua carriera come semplice scalpellino, presso la bottega di [Bartolomeo Cavazza da Sossano], fuggitovi nel 1542, a causa delle dure condizioni lavorative, si reca a Vicenza, dove entra nella bottega di Giovanni di Giacomo da Porlezza e Girolamo Pittoni da Lumignano. Pur non ricevendo mai un'educazione regolare, fu avviato agli studi dall'umanista Gian Giorgio Trissino, conosciuto tra il 1535 e il 1538 mentre lavorava al cantiere della villa di Cricoli, sarà propio l'umanista a ribattezzarlo con il nome classicheggiante di Palladio (da Pallade Atena), e condotto da lui a Roma, dove si dedicò allo studio dei monumenti dell'antichità e dell'architettura del Bramante e del Buonarroti.

I suoi primi disegni di villini sono del 1540 circa (ville Godi a Lonedo di Lugo di Vicenza, Marcello a Bertesina di Vicenza e Cerato a Montecchio Maggiore). Queste prime opere mostrano un adesione ai modelli diffusi dal Serlio. Nelle costruzioni successive si accostò all'architettura manierista in senso specifico.

Numerose le ville e i palazzi costruiti nel Veneto. Sua è la celebre Villa Capra detta la Rotonda, nella quale adotta una tipologia rivoluzionaria. Trentenne, vince il concorso per il rifacimento della Basilica di Vicenza, che da allora sarà chiamata Basilica Palladiana. Nel Teatro Olimpico della stessa città, adotta la disposizione del teatro greco con gradinata a semicerchio al chiuso di una sala, ottenendo nello scenario fisso un insieme prospettico di autentica imponenza. Dopo il 1550 la visione palladiana giunge a maturità non solo nella logica distributiva e volumetrica, ma anche nella coscienza urbanistica.

Scrive il fondamentale trattato dei "Quattro libri dell'architettura", nel quale le sue concezioni acquistano veste teorica, ma il suo stile ebbe diffusione in Italia e all'estero, nei secoli successivi, soprattutto dallo studio diretto delle sue opere.

Divenuto l'architetto della Serenissima, eseguì numerose opere per i Veneziani, tra cui le due chiese di San Giorgio Maggiore e del Redentore.

Morì a Maser (Treviso) il 19 agosto 1580.