El teatro fue encargado a Palladio en 1580 por la Academia Olímpica de Vicenza, una institución cultural fundada en 1556 por aristócratas de la ciudad italiana que tuvo que esperar más de veinte años para contar con un espacio propio y permanente en el que representar las piezas de los clásicos. 

La identificación de Andrea Palladio con la cultura clásica y con Vitrubio es tan clara que ningún otro arquitecto del siglo XVI ha resucitado un escenario tan literalmente romano como el Teatro Olímpico, en el que la decoración de la escena ofrece, con la ilusión de tres calles monumentales en perspectiva, su visión de la civilización grecorromana en una de sus perdurables y definitivas conquistas culturales.

Debido a la muerte de Palladio, el Teatro Olímpico tuvo que ser concluido por Vincenzo Scamozzi (1552-1616), estrecho seguidor del maestro, el cual llevó a cabo con este proyecto el primer teatro cubierto y cerrado del mundo. Las enseñanzas de Andrea Palladio fueron recogidas por el fiel Scamozzi en su personal tratado teórico Idea dell'Architettura Universale, publicado en el año 1615.

Recientes estudios han demostrado que la espectacular perspectiva de las cinco vías de Tebas que se abre detrás del proscenio -un arco triunfal dedicado al dios Hércules- se debe íntegramente a la labor de Scamozzi, quien tuvo ocasión de demostrar su notable talento, completando la genialidad aportada por Palladio en cuanto al sentido real de espacio y perspectiva. La platea central, destinada a las clases altas en el momento de su ejecución, ofrece así una maravillosa ilusión óptica con las calles que parecen perderse en la lejanía.