Il palazzo fu costruito nel 1477 dal duca di Imola Girolamo Riario, nipote di Sisto IV (1471-1484), su edifici precedenti di epoca medievale, comprendenti piccole case a schiera, torri e orti e facenti probabilmente parte di un unico sistema fortificato a difesa dell’ansa del Tevere. In questa fase lavorano alla realizzazione del palazzo Melozzoda Forlì, Luca Pacioli e forse Leon Battista Alberti. 

Nel 1511 l’edificio fu venduto al cardinale Francesco Soderini. Nel corso del XVI secolo vengono operate altre ristrutturazioni al complesso, soprattutto dopo il 1524, quando muore il cardinale Soderini e l’edificio è abitato dal cardinale Innocenzo Cybo. In questo periodo avrebbe collaborato ai lavori Baldassarre Peruzzi. Nel 1568 il palazzo fu acquistato dal cardinale Marco Sittico Altemps, figlio del conte germanico Wolfgang Hohenems (in Italia Altemps) e di Chiara Medici sorella di Pio IV (1560-1565). 

Il cardinale Marco Sittico tra il 1577 e il 1595, anno della sua morte, apportò notevoli trasformazioni all’edificio, su progetto di Martino Longhi il Vecchio; a lui è dovuta tra l’altro la realizzazione dell’altana posta nell’angolo verso piazza Sant'Apollinare, sormontata da quattro guglie piramidali e coperta da una cupola su cui è un ariete rampante, simbolo della famiglia Altemps.

A questi lavori collaborarono molti grandi artisti, tra i quali Giacomo Della Porta, Flaminio Ponzio, Tommaso Schiratti, Girolamo Rainaldi e Onorio Longhi. Agli inizi del Seicento, vennero realizzate dal duca Giovanni Angelo Altemps, nipote del cardinale Marco, la cappella di S. Aniceto, il teatro Goldoni, considerato uno dei teatri più antichi di Roma, e la biblioteca. Nella cappella furono collocate le reliquie del papa martire Aniceto (155-166 d.C.), rinvenute nelle catacombe di San Callisto e concesse da Clemente VIII nel 1603; si tratta dell’unico esempio di papa sepolto in un edificio privato. La cappella fu decorata dal Pomarancio e da Ottavio Leoni. 

Nel 1887 il palazzo divenne proprietà della Santa Sede, e ospitò il Pontificio Collegio Spagnolo. Nel 1982 fu acquistato dallo Stato e, dopo un lungo restauro, è stato adibito a sede del Museo Nazionale Romano, ospitando quello che rimane della collezione Altemps ed altre importanti collezioni di opere antiche, quali la collezione Boncompagni Ludovisi, la collezione Mattei e la collezione Del Drago Albani. 

Il palazzo presenta una pianta ad L; ha tre piani con finestre a cornice semplice al primopiano, architravate con balconi al secondo, e con architrave al terzo; un cornicione con mensole fa da coronamento. Sul lato in piazza Sant'Apollinare sono numerose porte di rimesse, mentre la facciata su via di Sant'Apollinare ha il portale d’ingresso e i cantonali a bugne. Dal portale si entra nel cortile ad arcate aperte sul lato dell’ingresso e su quello opposto, chiuse da finestre sugli altri due, decorato con gli stemmi Altemps e Orsini.

Qui si trovano alcune delle statue facenti parte della grande collezione Altemps.