Serlio groeide op in Bologna waar hij schilderles kreeg van zijn vader. In 1514 vertrok hij naar Rome om architectuur te sturen onder Baldassare Peruzzi die net als hij als kunstschilder was begonnen. Hij bleef daar tot 1527, toen hij moest vluchten vanwege de Plundering van Rome door Spaanse en Duitse soldaten, wat de uitvoering van architectuurprojecten een tijdlang onmogelijk maakte. Van 1527 tot 1540 werkte hij in Venetië, maar hij heeft in de architectuur van de stad weinig sporen nagelaten. Vanaf 1540 was hij werkzaam aan het Franse hof, waar hij door koning Frans I aangesteld werd als adviseur bij de transformatie, de uitbreiding en verfraaiing van het paleis Fontainebleau.