Unos años antes se había producido un incendio en el palacio episcopal, que lo dejó totalmente destruido. Ya que la ciudad no disponía de un arquitecto diocesano, el obispo Joan Baptista Grau i Vallespinós decidió encargar la construcción del nuevo palacio episcopal a su amigo Gaudí. La amistad entre ambos había comenzado años atrás mientras Grau —reusense como Gaudí— fue vicario general de la archidiócesis de Tarragona e inauguró la iglesia de Jesús-María, cuyo altar Gaudí había diseñado.2
Cuando Gaudí recibió el encargo de construir el palacio episcopal estaba ocupado en diversos proyectos, como el palacio Güell, los pabellones Güell, el colegio de las Teresianas y la Sagrada Familia, por lo que no podía desplazarse a Astorga para estudiar el terreno y el entorno del nuevo edificio. Para no retrasar el proyecto le pidió al obispo que le enviase fotografías, dibujos y demás información del lugar, que le permitiesen comenzar a proyectar el palacio de manera que armonizase con las edificaciones de su entorno. Una vez hubo estudiado todo el material recibido, Gaudí preparó los planos del proyecto y los envió a Astorga. Grau se sintió satisfecho e inició los trámites para obtener los permisos administrativos, ya que al ser un edificio público debía tener el vistobueno de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando. Después de haberse introducido algunas modificaciones, el proyecto fue aprobado en el mes de febrero de 1889. Unos meses después, el 24 de junio, onomástica del obispo, se puso la primera piedra.3 La obra fue presupuestada en 168 520 pesetas.4
La piedra en la que está construido (granito gris del Bierzo) es respetuosa con el entorno, en especial con la catedral que se encuentra en la inmediata vecindad, así como también con la naturaleza, que en la Astorga de finales del siglo XIX estaba más presente que en la actualidad. No obstante, el edificio también incorpora algunos de los elementos que caracterizarían a Gaudí en sus futuras obras, como los arcos de la entrada principal y el volumen situado encima de ella o las grandes chimeneas que de forma ostensible se integran en las fachadas laterales.
El palacio tiene planta de cruz griega sobre la que se superpone una planta cuadrada, con cuatro torres cilíndricas en las esquinas, y rodeado por un foso.4 En dos de los laterales presenta unos cuerpos sobresalientes de planta rectangular, mientras que en los otros dos se encuentran la torre de entrada y la capilla, también rectangular y finalizada con un ábside y tres absidiolos.6 En el interior hay cuatro niveles: un semisótano, la planta baja —para dependencias administrativas—, el piso principal —con la estancia del obispo, el salón del trono y la capilla—, y el desván.4
En 1893, tras la muerte del obispo Grau, Gaudí dimitió por desavenencias con el cabildo, por lo que las obras estuvieron paradas durante varios años —quedaba por terminar el piso superior y la cubierta—.10 Finalmente, fue terminado entre 1907 y 1915 por el arquitecto Ricardo García Guereta, quien siguió el trazado de Gaudí pero con un sello más convencional. En la intervención de Guereta se denota la influencia violletiana, especialmente en los chapiteles que coronan las torres laterales.4 Al cambio de dirección se debe también que unas esculturas de ángeles que debían coronar el edificio según el proyecto original se colocasen finalmente de forma exenta en el jardín del palacio.11 Colocados en 1913, uno de los ángeles sostiene una cruz, otro un báculo y el tercero una mitra episcopal.12
Durante la Guerra Civil sirvió de cuartel de artillería y sede de la Falange. Entre 1943 y 1955 se restauraron los daños ocasionados durante la guerra.5 En 1956, el obispo Julià Castelltort inició la restauración para convertir el edificio en residencia del obispo, función inicial que nunca llegó a consumarse; fallecido al poco tiempo, el nuevo obispo, Marcelo González Martín, renunció finalmente a la función episcopal y promovió la conversión a lo que es actualmente el palacio, el Museo de los Caminos, dedicado al Camino de Santiago.13