L’edificio cinquecentesco deve il suo nome alla famiglia, che lo eresse e abitò per oltre due secoli: i Cavalli, discendenti dell’ambasciatore veneziano Marino il Vecchio. Nel 1585 il palazzo salì agli onor di cronaca in seguito all’uccisione, per mano del cugino del defunto marito Paolo Giordano Orsini, della Duchessa di Bracciano Vittoria Accoramboni. Fu quindi profondamente rinnovato a cavallo tra il XVII e il XVIII secolo per iniziativa di Giovanni Cavalli e del figlio Federico, che commissionarono l’imponente apparato decorativo tuttora conservato. A fine Settecento la proprietà passò al figlio dell’ultima rappresentante dei Cavalli, Giacomo Bollani, i cui eredi lo cedettero allo stato, che lo adibì a dogana. Dal 1892 ospitò la Scuola di Applicazione per Ingegneri dell’Università di Padova e dal 1932 le collezioni e l’Istituto di Geologia, oggi Dipartimento di Geoscienze.
La struttura del palazzo si è conservata pressoché integra e mostra un’equilibrata distribuzione degli ambienti, con al pian terreno il cosiddetto “portego da baso”, a forma di T, che disobbliga in tre sale laterali, e al primo piano il “portego de sora”, con uno sviluppo verticale doppio. Se il piano superiore era destinato ai ricevimenti e alle camere padronali, al piano terra trovavano posto vari ambienti di servizio.
Affascinante il ciclo decorativo del piano terra, oggi attribuito al frescante padovano Michele Primon, che vi illustrò episodi ispirati alle Metamorfosi di Ovidio (nell’atrio), alla storia romana (sala “dei Telamoni”) e alla biblica (sala “del caminetto”), oltre a scene venatorie nella “Sala della Caccia”. Lo scalone è opera degli artisti emiliani Antonio Felice Ferrari e Giacomo Parolini e rappresenta un’ascesa spirituale verso il piano nobile, accompagnati dalle Muse. Risale a fine XVII-inizio XVIII secolo la decorazione del Salone per mano del pittore francese Louis Dorigny: nei grandi riquadri sono presenti soggetti di carattere mitologico, mentre il fregio a monocromo mostra un trionfo di amorini. Irrimediabilmente perduto è il soffitto originale, sostituito alla fine dell’Ottocento con un’allegoria del trionfo della Scienza.