Alla metà del secolo XVI la residenza degli Anziani più che un grande edificio era un pittoresco insieme di costruzioni di varie epoche, collegate fra loro da alcuni cavalcavia. Nel 1577, a seguito dell'esplosione della polveriera, iniziò la riedificazione del complesso. Bartolomeo Ammannati nel XVI secolo e Filippo Juvarra nel XVIII secolo, furono incaricati della progettazione del Palazzo. Mentre l'impianto generale dell'edificio, che si snoda attorno ai due cortili, deriva dall'ideatore cinquecentesco, la grammatica architettonica del corpo nord è totalmente settecentesca. Grande fu il merito dello Juvarra che seppe inserirsi nel precedente progetto rispettandone i principi basilari, ma creando contemporaneamente una struttura moderna ed imponente. Nel XIX secolo la volontà e l'autorità di due donne energiche e capaci resero possibile il completamento del magnifico Palazzo che possiamo ammirare oggi. Elisa Baciocchi, sorella di Napoleone e Principessa di Lucca e Piombino dal 1805, commissionò l'edificazione del Quartiere del Trono, e l'apertura della grande piazza antistante all'edificio. Nel 1817, a seguito del Congresso di Vienna, la reggenza della città fu affidata a Maria Luisa di Borbone, che richiamò da Roma il giovane Lorenzo Nottolini. Architetto della Regia Casa dal 1818, Nottolini lavorò assiduamente per trasformare il palazzo in una Reggia che rispondesse alle esigenze e ai gusti di una corte europea. Sotto il suo controllo un'efficiente squadra di pittori, scultori e stuccatori collaborò alla realizzazione di un omogeneo programma decorativo improntato alla celebrazione della famiglia reale.Nel 1847 il palazzo entrò a far parte del patrimonio del Granduca di Toscana Pietro Leopoldo che donò una nuova quadreria in sostituzione di quella dispersa da Carlo Ludovico di Borbone. Con l'Unità d'Italia il Palazzo, divenuto proprietà della corona sabauda, venne spogliato dei suoi mobili trasferiti, in parte, a Palazzo Pitti. Il 5 novembre del 1867, fu acquistato dall'Amministrazione Provinciale alla cifra di 300.000 lire.
L’esigenza di collocare gli uffici dell’Amministrazione Provinciale – la Prefettura aveva già occupato parte del primo e del secondo piano – e le successive ristrutturazioni interne finalizzate all’ospitalità della Corte d’Appello e della Procura Generale trasformarono in modo sostanziale l’unità architettonica del Palazzo.
Entrando nei cortili da piazza Napoleone è possibile percorrere gli otto secoli di storia del Palazzo ammirando il trecentesco muro di Cortile degli Svizzeri, passando attraverso gli archi della cinquecentesca Loggia dell’Ammannati, attraversando il neoclassico Passaggio delle Carrozze fino a giungere innanzi alla Palazzina Nuova di Lorenzo Nottolini.