Arbeidet på palasset startet i 1542. Desember samme år besøkte Giulio Romano Vicenza i to uker som konsulent for loggiaene til basilikaen. Det var antagelig ved dette besøket han presenterte ideene til Palazzo Thiene. Arbeidet tok imidlertid lang tid. Fasaden mot gaten har en inskripsjon med årstallet 1556, og det indre gårdsrommet 1558.