La forma pentagonale del palazzo è dovuta al fatto che inizialmente era stato concepito come una fortezza. Il progetto iniziale era stato affidato dal cardinale Alessandro Farnese il Vecchio (il futuro papa Paolo III) all’architetto Antonio da Sangallo il Giovane. Il progetto non potè essere pienamente realizzato per una serie di motivi e in particolare per l’elezione del cardinale al soglio pontificio nel 1534 e per la morte del Sangallo nel 1546.
Il cardinale Alessandro il Giovane, nipote di Paolo III (nel senso che il papa era suo nonno), riprese il progetto e lo affidò a Jacopo Barozzi detto il Vignola. I lavori ripresero nel 1559. Venne mantenuta la pianta pentagonale, ma la destinazione d’uso venne radicalmente modificata: da fortezza difensiva, concepita probabilmente, secondo lo studioso Luciano Passini, subito dopo il tremendo Sacco di Roma del 1527, a palazzo di rappresentanza.
Nell’insieme, appare evidente il carattere un po’ ibrido della struttura, elegante e possente nello stesso tempo, che proprio per questo si presenta originale e affascinante.
Forse la soluzione più interessante del Vignola è data dal rapporto tra il palazzo e il centro abitato. L’architetto realizzò una strada diritta relativamente stretta che collega il Borgo al Palazzo, al quale si arriva percorrendo la salita. Solo verso la fine si offre in pieno alla vista la maestosa e solida struttura. In tal modo l’effetto scenografico esprime in modo perfetto lo stretto rapporto che doveva legare Caprarola alla famiglia Farnese.
Alla morte del Vignola (1573) il palazzo era completato. Ulteriori lavori e perfezionamenti, con particolare riferimento agli stupendi giardini “all’italiana”, andarono avanti anche dopo la morte del cardinale Alessandro Farnese (1589) fino alla prima metà del Seicento.