Intitolato allo storico Tito Livio, nato a Padova nel 59 a.C., il palazzo sorge in Piazza Capitaniato, adiacente alla trecentesca Sala dei Giganti inglobata nel complesso, e fu realizzato tra il 1937 e il 1939 su progetto dell'architetto e designer milanese Gio Ponti, vincitore del concorso bandito nel 1934 dal quarto Consorzio per la sistemazione edilizia dell'Università di Padova.
Inserendosi in un precedente contesto abitativo, l'edificio dovette adattarsi agli spazi lasciati liberi dalle pre-esistenze e presenta una forma a L, che fa perno sull'angolo formato da Piazza Capitaniato e via Accademia: il corpo di fabbrica prospiciente la piazza ha uno sviluppo verticale di tre piani; quello verso via Accademia, con copertura a terrazza praticabile, di quattro piani. Il carattere razionalista del palazzo è riconoscibile fin dalla facciata principale e nell'atrio d'ingresso, con pareti interamente affrescate da Massimo Campigli e, di fronte alla parete occidentale, la monumentale scultura Tito Livio, realizzata nel 1942 da Arturo Martini.
Dall'atrio si accede alle aule d'insegnamento e agli studi dei professori, posti ai piani superiori. Al terzo piano si trova il Museo di Scienze Archeologiche e d'Arte: come per gli altri ambienti del palazzo, anche nel museo gli arredi spettano all'architetto Ponti, il quale operò qui in stretta sinergia con il committente Carlo Anti, dando vita a interni di grande suggestione, al contempo altamente funzionali per ospitare le collezioni.