La datation du projet de la villa Zeno, l'une des moins connues et, géographiquement, la plus orientale des villas palladiennes, n'est pas certaine. De récentes hypothèses la situe en 1554, peu de temps après l'acquisition de la propriété foncière par Marco Zeno, et les évidentes analogies avec d'autres villas contemporaines, comme la villa Saraceno à Agugliaro et la villa Caldogno plaident en faveur de cette date.
Sûrement de Palladio, le plan de la villa est publié dans son traité Les Quatre Livres de l'architecture, avec des barchesse à angle droit, lesquelles ne seront réellement pas construites avant les premières décennies du XVIIe siècle. Il est probable que le projet de l'architecte intervient en transformant un édifice préexistant, et pourrait expliquer quelques singularités dans le plan. La villa a été profondément modifiée au cours des siècles et la fenêtre thermale originale a ainsi été fermée au XVIIIe siècle.
En 1953, l'édifice est protégé et dès 1959, l’Istituto regionale per le ville venete commence à s'occuper de l'état de conservation du complexe, qui, actuellement, a besoin d'être restauré.