Si formò a Bologna e iniziò la carriera realizzando bozzetti per tarsie lignee, ma molto presto si avvicinò all’architettura. Negli anni ’30 fu a Roma, dove lavorò come pittore, studiò le opere antiche e partecipò al cantiere del cortile del Belvedere diretto da Peruzzi. Nel 1541 seguì Primaticcio a Fontainebleau per decorare la galleria di Francesco I. In Francia conobbe anche Sebastiano Serlio i cui trattati erano stati fondamentali per la sua formazione. Nel 1543 tornò a Bologna per la Fabbrica di San Petronio, per la cui facciata eseguì progetti mai realizzati. Dal 1550 dimorò stabilmente a Roma, divenendo l’architetto dei Farnese per i quali realizzò Palazzo Farnese a Caprarola (1559-73) e la Chiesa del Gesù (1568), modello architettonico che i Gesuiti esportarono ovunque.
Dal 1550 lavorò a Villa Giulia per papa Giulio III e negli stessi anni realizzò anche la piccola chiesa di Sant’Andrea su via Flaminia. Nel 1564 successe a Michelangelo come architetto della Fabbrica di San Pietro.
È passato alla storia, oltre che come uno dei più importanti architetti manieristi, anche come trattatista grazie a opere quali Regola delli cinque ordini d’architettura (1562), che presto si diffuse in tutta Europa, e Le due Regole della prospettiva pratica (uscito postumo nel 1583).