E' una delle due Palazzine gemelle che il Vignola progettò per il Parco. Fu edificata dal cardinale Gambara, tra il 1568 ed il 1578, quando i lavori si interruppero, probabilmente in seguito alla visita del cardinale Borromeo che redarguì il Gambara per aver speso tanto denaro in un luogo di delizie, mentre intorno c'era tanta sofferenza. L'edificio, un piccolo gioiello dell'arte rinascimentale era comunque già in fase piuttosto avanzata, anche negli interni. Quasi tutte le stanze sono affrescate ad opera di artisti di prestigio, anche se le attribuzioni mancano di documentazione certa. Gli affreschi della volta della Loggia sono probabilmente opera della scuola degli Zuccari per le evidenti analogie con il vicino Palazzo Farnese di Caprarola in cui questi artisti operarono in quello stesso periodo. Alle pareti della Loggia sono dipinte le vedute di quattro delle più belle ville cardinalizie del Lazio: villa d'Este a Tivoli, il Palazzo Farnese di Caprarola, la villa Gambara non ancora ultimata ed il Palazzo Farnese di Capodimonte. Sono decorate anche le due stanze al piano terra (quella della caccia con affreschi attribuiti ad Antonio Tempesta), la stanza di San Lorenzo e di San Pietro (qui avrebbe lavorato Raffaellino da Reggio), la camera "farnesana" e quella Gambara al piano nobile.