Il palazzo sorge sul lungarno mediceo, dove già nel X secolo si trovava la residenza cittadina dei marchesi di Tuscia. Fu costruito tra il 1583 ed il 1587 per volontà del Granduca Francesco I de’ Medici, su progetto dell'architetto fiorentino Bernardo Buontalenti. Fu edificato su alcuni edifici preesistenti, che occupavano l’area compresa tra S. Maria, la chiesa d S. Nicola e l’ Arno, come la torre detta "della Vergadoro", appartenuta ad una nobile famiglia Gaetani emigrata in Sicilia dopo la conquista fiorentina di Pisa e, su “altre case-torri di proprietà delle consorterie dei Dodi e dei Gusmari e la torre detta "del Cantone". Nel palazzo granducale soggiornò al seguito dei granduchi anche lo scienziato Francesco Redi (1626-98), dove eseguiva esperimenti scientifici mentre la corte era impegnata nei ritmi mondani delle caccie e dei balli. Tra il XVIII ed il XIX secolo il palazzo continuò a svolgere la funzione di residenza abituale dei Granduchi di Toscana. In particolare ospitò spesso Pietro Leopoldo I e i Savoia. Nel 1769 il palazzo subì diversi restauri per volere del Granduca di Toscana Pietro Leopoldo. Inoltre nel 1943 i danni causati dal bombardamento della seconda guerra mondiale ne alterarono profondamente l aspetto.

Il palazzo divenne residenza dei Lorena quando Pisa ebbe la funzione di seconda capitale del granducato. Frequenti furono gli interventi commissionati dai Lorena che particolarmente a cuore avevano le sorti della residenza pisana. La semplicità della definizione architettonica mirata alla utile e la perdita delle caratteristiche difensive tipiche delle residenze rinascimentali fiorentine sono il segno più evidente del nuovo corso politico innescato dall’ illuminato Pietro Lepoldo. Tra i numerosi interventi del dopo guerra merita una particolare attenzione quello più recente concluso nel 2002 sotto la direzione dell’architetto Fiorella Ramacogi riguardante l’ampliamento con sopraelevazione sulla balconata occidentale. Nel corso di recenti restauri sono stati recuperati alla fruizione anche la torre della Verga d’Oro e la preziosa cappellina all’ interno del passaggio verso la chiesa d San Nicola.

Durante il regno d’ Italia fino alla seconda guerra mondiale è stato residenza dei Savoia prese il nome di "Reale". Successivamente passò allo Stato Italiano nel 1919.

Dal 1989 oggi sede della Soprintendenza per i Beni A.P.P.S.A.E. di Pisa e Livorno, ospita le raccolte del Museo Nazionale che conserva numerose testimonianze delle famiglie che vi hanno abitato, costituite da dipinti, ritratti, arredi, arazzi, armature.