Edificato tra il 1583 ed il 1587 per volontà del granduca Francesco I de’ Medici, su progetto dell'architetto fiorentino Bernardo Buontalenti, il palazzo sorge in una zona prestigiosa di Pisa, dove già nel X secolo si trovava la residenza cittadina dei marchesi di Tuscia. Nella nuova costruzione furono inglobati alcuni edifici preesistenti, tra cui la torre detta "della Vergadoro", appartenuta all'importante famiglia dei Gaetani, altre case-torri di proprietà delle consorterie dei Dodi e dei Gusmari e la torre detta "del Cantone", ancora visibile in buona parte della sua struttura originale tra via S. Nicola e via S. Maria. Altri edifici, botteghe e persino una chiesa furono invece distrutti, per lasciare posto al nuovo complesso architettonico e alla adiacente piazza Carrara.
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, che amava trascorrervi l’inverno per il clima mite della città. In epoca post-unitaria vi trascorsero alcuni periodi di soggiorno anche i Savoia, donde assunse la denominazione odierna.
L’aspetto attuale dell'edificio è frutto dei successivi ampliamenti e ristrutturazioni avvenuti in questo periodo, mentre in seguito ai bombardamenti della seconda guerra mondiale fu distrutto parte del lato settentrionale con uno dei cavalcavia che garantivano ai Granduchi di recarsi direttamente alle funzioni religiose nella vicina chiesa di S. Nicola. Questo è stato interamente ricostruito in occasione di recenti interventi di ripristino edilizio, mentre sul lato di via S. Maria è visibile il passaggio di collegamento con il palazzo delle Vedove, all’epoca sopravvissuto.
L’edificio, oggi sede della Soprintendenza per i Beni A.P.P.S.A.E. di Pisa e Livorno, ospita le raccolte del Museo Nazionale di Palazzo Reale.