Nel 1736 l'edificio e il giardino furono acquistati dal cardinale fiorentinoNeri Maria Corsini, nipote di Clemente XII, che affidò i lavori di ristrutturazione del palazzo al conterraneo Ferdinando Fuga, che per il papa stava già lavorando al Palazzo del Quirinale e al Palazzo della Consulta. Fuga trasformò la piccola villa suburbana dei Riario in una vera e propria reggia, raddoppiando l'estensione della facciata e ovviando alla notevole larghezza con l'aggiunta di dieci lesene giganti, più addensate in corrispondenza dell'asse centrale. Più movimentata è la facciata posteriore, rivolta verso i vastissimi giardini, con tre corpi di fabbrica aggettanti, di cui quello centrale, occupato dal monumentale scalone, uno dei più belli di Roma, è particolarmente sporgente. Lo scalone, con le sue grandi finestre, funge anche da belvedere panoramico sui giardini, posti in pendenza sul colle del Gianicolo.
Nella parte superiore della villa (casino dei Quattro Venti) si svolse il 3 giugno 1849 uno dei più sanguinosi combattimenti in difesa della Repubblica Romana contro i francesi durante il quale fu ferito a morte Goffredo Mameli. Nel 1856 gran parte dei giardini sul Gianicolo furono uniti alla confinante Villa Doria Pamphilj, mentre nel 1883 il principe Tommaso Corsini vendette al Governo Italiano il palazzo, donando la biblioteca e la galleria ivi custodite. Il palazzo divenne quindi sede degli uffici e della biblioteca della Reale Accademia dei Lincei e della Galleria d'Arte Antica, costituita con l'occasione per accogliere le raccolte Corsini.
^Nella seonda metà del XVII secolo il palazzo era definito "magnificentissimo" per le collezioni di statue, pitture, medaglie e gemme; Giovanni Pietro Bellori, Nota delli musei, librerie, galerie et ornamenti di statue e pitture ne' palazzi, nelle case e ne' giardini di Roma, 1664, p.54