Ein beliebter, geselliger Zeitvertreib im 16. Jahrhundert war der Besuch von antiken und zeitgenössischen Theateraufführungen. Wie fast überall gab es noch kein eigens dafür vorgesehenes Gebäude. Die Stücke wurden im Freien, in provisorischen Bretterbauten oder in Palastsälen aufgeführt.
Bei den Mitgliedern der olympischen Akademie in Vicenza entstand der Wunsch nach einem, nur dem Theater vorbehaltenen, Gebäude. Sie kauften ein kleines Grundstück und beauftragten 1580 den Mitbegründer der Akademie und Meister der Architektur, Andrea Palladio, mit dem Entwurf und Bau eines permanenten Theatergebäudes.
Palladio starb noch während der Bauzeit des weltweit ältesten freistehenden und ersten überdachten Theaters im Alter von 72 Jahren. Zunächst setzte Palladios Sohn Silla die Arbeiten des krönenden Meisterwerks Palladios fort. Fertiggestellt wurde der Bau jedoch dann von Vincenzo Scamozzi, der auch die einzigartige, faszinierende Innenausstattung gestaltete.
Klar zu erkennen ist der Stil eines römischen Theaters. Nach dem Vorbild eines Amphitheaters nimmt das Publikum in einem elliptischen, halbovalen Zuschauerraum auf vierzehn stufenförmigen Sitzreihen Platz. Abgeschlossen werden die Sitzreihen von einem Säulengang mit Balustraden auf korinthischen Säulen. Eine prunkvolle, in 3 Ebenen unterteilte Vorbühne, die zwei Stilrichtungen vereint, ist der rechteckigen Bühne vorgelagert. Hauptmotiv ist ein Triumphbogen.
Mit der griechischen Tragödie „König Ödipus von Sophokles“ wurde das Teatro Olimpico 1585 eingeweiht.
Den Zuschauern eröffnete sich ein faszinierender Blick auf die 5 Portale, Arkaden, Frei- und Halbsäulen, Statuen und auf flache Reliefs. Die Häuserfronten und die Höhe treten allmählich zurück. Hervorstehende Statuen, Auskragungen, Nischen und die durch die Beleuchtung erzeugten Hell-Dunkel Effekte lassen das Bühnenbild dreidimensional erscheinen. Der Zuschauer sitzt nicht mehr in einem Theatersaal, sondern befindet sich 2.000 Jahre zurückversetzt, auf einer der Straßen Thebens zu den 7 Toren der Stadt.
Das Bühnenbild beeindruckte so sehr, dass es für die folgenden, nur unregelmäßig stattfindenden Aufführungen als Kulisse beibehalten wurde.
Die Zensur der Gegenreformation untersagte Theateraufführungen, so dass das Theater nur noch für repräsentative Zwecke genutzt wurde. Unter anderem wurden hier Papst Pius der VI., Kaiser Franz der I. von Österreich und Ferdinand der I., Thronfolger von Kaiser Franz, empfangen. Im 19. Jahrhundert wurden vereinzelt wieder klassische Stücke aufgeführt. Erst nach dem 2. Weltkrieg fanden wieder häufiger Aufführungen statt.
Das Bühnenbild von Scamozzi ist bis heute erhalten geblieben. Im Frühjahr werden Konzerte gegeben, im Herbst können klassische Theateraufführungen besucht werden. Zudem ist das Theater auch einer der Schauplätze des Vicenza Jazz-Festivals.
Ursprünglich fasste das Teatro 800 Besucher. Heute dürfen aus Erhaltungsgründen nur noch 400 Gäste im Teatro Platz nehmen.
Das Teatro Olimpico gehört zum UNESCO-Weltkulturerbe.