Sur l'histoire du palais réalisé pour Francesco Thiene sur la propriété foncière familiale à l'extrémité occidentale de la strada Maggiore (l'actuel corso Palladio), près du château, il subsiste plus de doutes que de certitudes, à commencer par la date exacte de sa construction. À la mort de Palladio, l'édifice n'est pas encore réalisé ; en effet, en 1580, sur un plan de la ville, la Pianta Angelica, apparaissent seulement les vieilles maisons et le jardin. Un document daté de 1586 témoigne du début du chantier et en 1593, à la mort du commanditaire, un tiers du palais est construit.
Enea Thiene, l'héritière des biens de son oncle Francesco, achève les travaux, probablement dans les années 1610.
Le palais est acquis en 1835 par Lelio Bonin Longare.
Dans son traité L'idea della architettura universale, édité à Venise en 1615, Vincenzo Scamozzi écrit avoir mené à bien le chantier de l'édifice sur les bases d'un projet d'un autre architecte, qu'il ne nomme pas, avec quelques variations par rapport aux plans initiaux, dont il ne mentionne pas l'importance. L'architecte dont Scamozzi ne dévoile pas l'identité, est sûrement Andrea Palladio, car deux pages autographes de ce dernier font référence au palais de Francesco Thiene. Elles comportent deux variantes de planimétrie, substantiellement proches de celle de l'édifice actuel, et une esquisse pour la façade, très différente de celle réalisée.
La date à laquelle Palladio formule ses idées pour le palais est incertaine, mais peut être située en 1572 ; elle coïncide avec l'année du partage des biens de famille entre Francesco Thiene et son oncle Orazio et l'attribution au premier du terrain où s'élèvera ensuite l'édifice palladien.
