Це остання значна праця Палладіо. Він повернувся в Віченцу у 1579 р. і привіз свої обміри і тезіси вивчення давньоримських споруд. Свої дослідження Палладіо показав Даніеле Барбаро, венеціанському перекладачу трактату Вітрувія.

Серед тезісів Палладіо були також плани відновлення давньоримського амфітеатру в місті Пола (сучасна Словенія) і арени в місті Верона. Палладіо займався і раніше створенням невеликих театрів в залах палаців. Найбільш значущим до цього був театр в залі Базиліки Палладіана.

Створенню нового театру сприяло декілька факторів. У 1555 р. Палладіо заснував Олімпійську академію (гурток однодумців для приємного і корисного дозвілля). Ініціативні члени Олімпійської академії у 1579 р. і отримали право від муніципалітету на побудову критого театру в приміщеннях старої фортеці. Раніше вони слугували льохами для збереження пороху та місцевою в'язницею.

Так мимоволі Палладіо і члени Олімпійської академії міста стали рятівниками старих стін фортеці Кастелло дель Терріторіо. Палладіо дали завдання розробити проект пристосування театру для академії в фортречних приміщеннях. На плані добре видно несиметричне розпланування стін фортечних споруд і спроба архітектора максимально використати простір старої будівлі. Він був вимушений відмовитися від точного відтворення давньоримського овалу арени і зробив лише його половину. Майже половину приміщення зайняла сцена.

Будівництво розпочали у 1580 р., а через півроку після розпочатого будівництва архітектор помер. Працю померлого і керівництво будівництвом перейшло до учня — Вінченцо Скамоцци, якому допомагав син Палладіо.

Роль Вінченцо Скамоцци у створенні театру Олімпіко слід визнати вирішальною, як і в добудові іншого уславленого твору Палладіо — вілли Ротонда. Саме Скамоцци робив усе можливе, щоби якось прикрасити неприємні зовні стіни фортеці. Він і створив арку-портал, що готувала відвідувачів до зустрічі з імітацією римської архітектури в театрі, проходячі повз непривабливі зовні середньовічні стіни. Вони й досі зберігають неприбраний, середньовічний вигляд без тинькування і фарбуваня.

В проектах і кресленнях Палладіо не було знайдено вказівок на оформлення перспектив по-за архітектурною декорацією. Роль Вінченцо Скамоцци і тут була вирішальною. Саме він розробив декоративні перспективи вулиць, яких нині сім. Вони зображують вулиці міста Фіви до вистави Софокла "Цар Едіп ", яку дали в день відкриття театру — 3 березня 1585 року. Аби підсилити реальність декорацій, Скамоцци розробив дизайн особливих скляних ламп, які розвісили на макетах будинків. Використовували їх нечасто з міркувань протипожежної безпеки. Адже всі декорації театру зроблені з дерева. Нині масляні лампи зняті і демонструються як експонати першої театральної декорації театру Олімпіко, що збереглися донині.

Донині збереглися і дерев'яні імітації вулиць. Хоча приміщення пройшли і через недбалість, забруднення, пошкодження від вибухів.