Teatro Olimpico este una dintre minunile artistice ale orașului Vicenza. În timpul Renașterii, un teatru nu era o clădire în sine, așa cum avea să devină mai târziu, ci o amenajare temporară a unui spațiu exterior sau a unei clădiri existente; în Vicenza, aceste spații erau curțile palatelor sau sala Palazzo della Ragione.

În 1580, la vârsta de 72 de ani, Palladio a primit sarcina de a proiecta un teatru permanent din partea Accademia Olimpica, grupul cultural din care făcea el însuși parte. Proiectul este clar inspirat de teatrele romane, așa cum sunt descrise de Vitruviu: un auditoriu eliptic în terase, înconjurat de o colonadă, cu un friz decorat cu statui. În fața acestuia se află scena dreptunghiulară și un prosceniu impunător cu două ordine arhitecturale, deschis prin trei arcade și împărțit de semi-coloane, în interiorul cărora se găsesc aedicule și nișe cu statui și panouri cu basoreliefuri.

Criticii numesc lucrarea „manneristă” datorită efectului intens de lumină și umbră, intensificat și de o serie de alte soluții optice folosite de arhitect datorită experienței sale: reducerea progresivă a fațadelor pe înălțime este compensată vizual de statuile proeminente; el se joacă cu balcoanele și nișele pentru a crește senzația de profunzime.

Proiectul lui Palladio a fost realizat cu câteva luni înainte de moartea sa, așa că nu a văzut rezultatul; fiul său, Silla, a supravegheat lucrările și a predat teatrul orașului în 1583. Prima reprezentație din timpul Carnavalului din 1585 a fost memorabilă; subiectul său a fost tragedia greacă Oedip rege de Sofocle, iar decorul de scenă reproduce cele șapte străzi ale orașului Tebas, vizibile prin cele cinci deschideri ale prosceniului printr-un ingenios joc de perspective. Creatorul acestei mici minuni din minune este Vincenzo Scamozzi. Efectul a fost atât de impresionant încât structurile din lemn au devenit o parte permanentă a teatrului. Scamozzi a fost rugat și să creeze spații accesorii: „Odeo”, sala unde aveau loc întâlnirile Academiei, și „Antiodeo”, decorat cu panouri monocrome de pictorul fin vicentin Francesco Maffei.

Fama noului teatru s-a răspândit mai întâi la Veneția și apoi în întreaga Italie, stârnind admirația tuturor celor care au văzut visul umanist al artei clasice renăscute devenind realitate. Ulterior, în ciuda unui început atât de promițător, activitatea teatrului a fost întreruptă de cenzura din timpul Contrareformei și a devenit un simplu loc de reprezentație: Papa Pius al VI-lea a fost primit aici în 1782, precum și împăratul Franz I al Austriei în 1816 și moștenitorul său Ferdinand I în 1838.
La mijlocul secolului XIX au avut loc ocazional reprezentații clasice, dar abia după Al Doilea Război Mondial, odată dispărută amenințarea bombardamentelor, acestea au fost reluate, într-un teatru fără egal în lume.