La villa veneta, dal punto di vista architettonico, ha trovato la sua più compiuta espressione nel XVI secolo con le costruzioni di Andrea Palladio (1508 - 1580), che riuscì a sintetizzare le esigenze estetiche e funzionali in un tipo di villa che rimase sostanzialmente lo stesso fino alla caduta della Serenissima nel 1797. Ma Palladio non inventò il concetto di villa: ne rinnovò le forme che queste dimore agricole avevano già acquisito nel corso dei secoli precedenti.

La villa Porto-Colleoni-Thiene associa così caratteristiche gotiche del castello e del palazzo veneziano, dove una grande loggia al piano terreno è fiancheggiata da due torri angolari. L'edificio molto regolare, caso eccezionale a quel tempo, è forse da attribuire al grande architetto Domenico da Venezia, "ingegnere" della città di Vicenza di cui si hanno notizie dal 1448 al 1453 per il Duomo di Vicenza e il palazzo della Ragione.

Il corpo principale presenta una loggia profonda, aperta sul fronte con cinque ampie arcate leggermente ogivali, sostenute da pilastri rettangolari; al primo piano corrisponde una pentafora gotica, unico esempio al di fuori di Venezia. In particolare è da notare l'ampio portico (atrio) a forma di T, forma ripetuta nella vasta sala al piano superiore.

Nel 1507 Francesco Porto eredita il "castello" di Thiene e le proprietà ad esso legate; nominato dal Doge Andrea Gritti generale collaterale della Serenissima, fa sopraelevare l'edificio - introducendo le finestre rinascimentali con arco a tutto sesto nelle torri laterali e murando la merlatura del corpo centrale - e fa inserire ai lati della loggia i due scaloni simmetrici in pietra bianca, cingendo di mura giardini e cortili con comunicazioni sotterranee con le proprietà adiacenti. All’erede e nipote Giovanni si devono l'incarico a Palladio per la realizzazione di una vera da pozzo monolitica di due metri e mezzo di diametro, e a Battista, figlio di Giovanni, gli ultimi interventi del periodo rinascimentale: la lunga cedraia e la grotta artificiale con peschiera, costruita dal Sorte nel 1580.

La grande corte nobile è racchiusa da edifici che fino all'800 avevano conservato integralmente la loro originaria struttura a barchessa.

Orazio Porto (1729-1816) nomina erede il pronipote Orazio Guardino Colleoni con il vincolo di risiedere a Vicenza e associare il cognome Porto al proprio. I Colleoni-Porto sono proprietari del castello per tre generazioni. Ad un iniziale periodo di disinteresse, segue un vasto programma di rinnovamento degli arredi e la trasformazione dei giardini. Guardino, ultimo della linea, muore nel 1918 senza figli e indica quale erede suo cugino Antonio Thiene.