L'attuale aspetto del palazzo, con sviluppo verticale su tre piani, è esito del rifacimento ottocentesco di una precedente dimora di proprietà della famiglia Capodilista, risalente almeno a un secolo prima e di cui rimane forse il portale d'ingresso. Ceduto nel 1810 all'avvocato Giuseppe Zoia, l'edificio venne acquistato nel 1828 da Leon Wollemborg, il cui figlio Giuseppe incaricò l'architetto Antonio Noale di un profondo rinnovamento, documentato dal progetto tuttora conservato presso la Biblioteca Civica di Padova. Di tali trasformazioni resta evidente solo la facciata, mentre debole traccia rimane degli interventi interni: occupato da diverse famiglie, più altre in affitto, nei decenni successivi l'edificio venne continuamente rimaneggiato.
Di particolare rilievo le trasformazioni primo-novecentesche, quando ad ammodernare il piano nobile in linea con il più moderno gusto liberty venne chiamato l’architetto milanese Gino Coppedé, autore anche delle scuderie poi demolite; tra gli artisti impegnati nel rinnovamento della decorazione delle sale troviamo invece il trevigiano Pietro Pajetta, già apprezzato frescante a Villa Contarini a Piazzola.
Passato in eredità a Elda Wollemborg in Corinaldi, il palazzo, durante il secondo conflitto mondiale sede del Comando di Piazza della Wermacht, nel 1966 venne ceduto dalla stessa Elda all'Università di Padova.
Palazzo Wollemborg presenta tutt'oggi uno sviluppo su tre piani: il portego inferiore è rispecchiato nel salone di ricevimento al piano nobile, attorno a cui si sviluppano gli altri ambienti. La semplice facciata, con una triplice apertura centrale sovrapposta al portale, è impreziosita sopra il balcone del primo piano da una cimasa in ferro battuto in stile floreale, aggiunta probabilmente a inizio Novecento ad attenuare la severità del prospetto. Dall'atrio, in cui si possono osservare le statue primonovecentesche del Commercio (Mercurio con petaso, caduceo, àncora e sacco) e dell’Agricoltura (figura femminile, forse Cerere, con vanga, mazza e spighe sul capo), rimando agli ideali di prosperità e alle politiche economico-sociali promosse da Leone Wollemborg, si accede alla Sala Africa (ex Aula Brunetta), dove è visibile l'antico fregio rocaille in stucco policromo.
La decorazione del salone al piano nobile, comunemente noto come Sala degli Specchi, spetta a Coppedè: il monumentale camino in stile eclettico, realizzato nel 1895 in occasione delle nozze tra Maurizio Wollemborg e Livia Pavia, è in legno dipinto a imitazione del marmo, con rifiniture blu oggi quasi scomparse. La vicina Sala della Musica, divisa in due vani comunicanti, presenta decorazioni alludenti alla musica e alle arti e sui soffitti pitture murali con putti danzanti.