Jacopo Barozzi detto il Vignola apportò evidenti cambiamenti al progetto originario del Sangallo: da fortezza il palazzo venne trasformato in residenza di nobile rappresentanza pur nella salvaguardia e valorizzazione dell’impianto originario sangallesco. Erano evidentemente cambiate in maniera profonda le esigenze dei Farnese inclini ora a rappresentare l’immagine di una Famiglia all’apice della propria potenza, venne persino modificato in modo sostanziale l’assetto urbano del borgo di Caprarola con la realizzazione della cosiddetta Via Dritta, un asse viario rettilineo di circa un chilometro che comportò la demolizione di parte del tessuto urbano medievale preesistente. Tale strada aveva una duplice funzione, di raccordo e prospettica, conducendo il visitatore, con graduale progressione scenografica, verso l’imponente mole del Palazzo.
Esso può considerarsi terminato nel 1575, anche se ulteriori lavori di rifinitura si protrarranno fino al 1583. A molti anni dopo risale la definitiva sistemazione della parte antistante il Palazzo ed il completamento dei giardini, finiti da Jacopo Del Duca e da Girolamo Rainaldi. Numerosi pittori ed artisti lavorarono nell’arco di un ventennio alla realizzazione del ciclo iconografico: Federico e Taddeo Zuccari, Antonio Tempesti, Jacopo Bertoia, Raffaellino da Reggio, Giovanni Antonio da Varese, Giovanni de Vecchi e tanti altri meno conosciuti, eseguirono fedelmente le indicazioni di quei grandi letterati che furono Annibal Caro, Fulvio Orsini ed Onofrio Panvinio.