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Als Gründungsdatum gilt der 7. Oktober 1593, der 22. Jahrestag des Sieges von Lepanto und der Tag der Hl. Justina von Padua, die zur Schutzheiligen von Palmanova bestimmt wurde. Palmanova war als Festungsstadt der Republik Venedig zum Schutz vor den Türken angelegt. Vor allem aber sollte die Stadt zum wichtigsten Landstützpunkt der Venezianer überhaupt ausgebaut werden – ein Plan, der misslang. Von dieser Absicht zeugt heute nur noch der fast runde riesenhafte Hauptplatz, der für die Kleinstadt völlig überdimensioniert ist.
Später diente die Festung der Verteidigung gegen die Habsburger, die das benachbarte Friaul und Görz beherrschten. Diese Aufgabe erfüllte die Stadt über zweihundert Jahre, ehe sie von Napoleon erobert wurde, der Venetien im Frieden von Campo Formio 1797 Österreich überließ, von 1806–1814 seinem Königreich Italien eingliederte, dann aber endgültig den Österreichern abtreten musste. Die Kapitulation Venedigs wurde in Palmanova unterzeichnet.
1866 fiel Palmanova schließlich an Italien. Im Ersten Weltkrieg war Palmanova wichtiger Stützpunkt der Italiener im Hinterland der Isonzo-Front; entsprechend wurden hier Lazarette und Truppenübungsplätze angelegt. 1960 wurde die Stadt zum Nationaldenkmal erklärt.
Palmanova wurde als Idealstadttypus mit radialem Straßennetz geplant und auch umgesetzt. Besondere Merkmale waren relativ breite regelmäßige Straßen, so dass die Soldaten aus dem Zentrum (Exerzierplatz) auf schnellstem Wege zu den Verteidigungsanlagen (Stadtmauer) gelangen konnten. Im Zentrum wohnten die befehlshabenden Offiziere, ringsherum die Liniensoldaten und entlang der Befestigung die Söldner.