La construction de la villa a été commandée par le prélat pontifical Paolo Almerico qui, après une brillante carrière au Vatican, décida de se retirer en Vénétie, sa région natale. Palladio et Almerico n'ont pas connu l'achèvement de la construction de la villa. Le fils d'Almerico la revendit rapidement à la famille Capra qui modifia le projet de construction.
La coupole hémisphérique initialement prévue par Palladio fut abaissée par l'architecte Vincenzo Scamozzi et pourvue d'un oculus (une ouverture dans la coupole, comme au Panthéon de Rome). Peu après et pour des raisons pratiques, cette ouverture fut couverte d'une petite coupole.
La villa est située sur une colline, près de Vicence. La coupole du bâtiment et les quatre pronaoi symétriques ornés de six colonnes ioniques donnent à l'ensemble un aspect ésotérique très particulier. Bien qu'elle n'eût pas au départ une destination rurale (comme de nombreuses villas de l'époque), elle fut utilisée par les Capra comme domaine agricole qui ajoutèrent des annexes et des terres.
La coupole est ornée de fresques d'Alessandro Maganza. Les autres fresques sont dues à Anselmo Canera. Les statues décorant les façades et les balustrades sont de Girolamo Albanese et de Rubini.
Dans ses Voyages italiens (1786) Goethe donne un compte rendu détaillé et admiratif de sa visite de la villa.
La villa appartient depuis près de deux cents ans à la famille Valmarana et porte d'ailleurs également le nom de villa Valmarana.
La villa a servi de décor au film de Joseph Losey, Don Giovanni, adaptation cinématographique de l'opéra Don Giovanni de Mozart.