Nel 1679 il principe Emanuele Filiberto di Savoia Carignano (1628-1709) commissionò all’architetto teatino Guarino Guarini (1624-1683) la costruzione di una nuova dimora cittadina vicino al Castello, nel nuovo ampliamento verso Po. Nell’incertezza politica che regnava dopo la morte di Carlo Emanuele II nel 1675, la successione del ducato pareva indirizzata verso il ramo collaterale dei Carignano, legittimando il concepimento di un palazzo dall’aspetto regale ispirato ai progetti che Gian Lorenzo Bernini aveva approntato per il Louvre di Luigi XIV e che, con tutta probabilità, Guarini aveva potuto esaminare direttamente a Parigi, nel 1665, mentre era impegnato nel cantiere della chiesa di Sainte-Anne-la-Royale (demolita). Per stadi progressivi Guarini giunse alla definizione di un atrio ovale al centro del corpo di facciata che determinò l’andamento curvilineo del fronte sulla piazza, chiuso tra i due padiglioni angolari e scandito da un ordine gigante di paraste, emergendo prepotentemente nel regolare tessuto cittadino; una trama di fasce con motivi stellari campisce invece il lato verso la corte. L’atrio funge da fulcro concettuale e spaziale per lo sviluppo dell’intero palazzo, distribuendo il percorso cerimoniale al suo interno: tramite un vestibolo, si accede a due scaloni simmetrici curvilinei che salgono al salone ovale attestato sull’atrio, nei progetti di Guarini coperto da una spettacolare struttura a volta doppia, poi smantellata nel corso dell’Ottocento.
Tra le soluzioni architettoniche innovative adottate da Guarini in Palazzo Carignano, completato entro la fine del secolo ma, dopo la morte dell’architetto avvenuta nel 1683, si segnala al piano terreno la scelta di variare la canonica distribuzione degli appartements doubles (estivi e invernali) inserendo corridoi di servizio fra gli ambienti posti ai due lati. Il corridoio della manica sud venne tuttavia precocemente smantellato dopo il 1691, mentre quello della manica nord sussiste ancora oggi, decorato da raffinate partiture in stucco modellate da Pietro Somasso, libero di sperimentare nuove soluzioni formali che preludevano al gusto rococò. Nel 1698 queste stanze furono fastosamente decorate con gli affreschi del pittore Stefano Maria Legnani detto il Legnanino (1661-1713) e dei quadraturisti Giovanni Battista e Girolamo Grandi con scene mitologiche a celebrare la gloria del principe di Carignano, a rivaleggiare con gli analoghi soggetti scelti dal pittore di corte Daniel Seiter (1647-1705) per i contemporanei interventi nel Palazzo Ducale (oggi Reale) di Vittorio Amedeo II (1666-1732).

Durante i due bombardamenti notturni dell’estate del 1943, entrambi ad opera della RAF effettuati con bombe di grosso e grossissimo calibro, il palazzo riportò i seguenti danni: distruzione parziale della copertura del tetto, crollo dei lucernari, schiantamento degli infissi. Si registrarono inoltre gravi lesioni alle opere d’arte in esso presenti e agli stucchi e dorature dei saloni.