L'area in cui oggi sorge la Villa Marcello, fuori dal centro abitato di Levada, era nota dal Quattrocento per la presenza di vasti territori boschivi e di zone paludose in corrispondenza del corso dei fiumi Sile, Dese e Zero. Come suggerisce il toponimo, si trattava di un sito innalzato sopra il livello del mare, dove la nobile famiglia veneziana dette avvio a opere di bonifica verso la fine del secolo. 

L'edificazione del nucleo più antico della residenza risale agli inizi del Cinquecento, quando Andrea Marcello fece costruire una casa destinata a brevi soggiorni in occasione delle battute di caccia, da sempre uno degli svaghi preferiti delle dinastie nobili e reali. A soli cinquant'anni di distanza, nel 1550, la fabbrica esistente fu ampliata allo scopo di proseguire la bonifica dei terreni circostanti e di renderli coltivabili. La residenza, con i suoi 4000 ettari di possedimenti terrieri, doveva infatti essere il centro di una vasta tenuta agricola, a sua volta luogo di raccolta e di commercio della produzione rurale. 

Il complesso fu oggetto di un'importante trasformazione verso la metà del Settecento, quando i nuovi proprietari, i marchesi Maruzzi, fecero della villa una fastosa dimora di rappresentanza. Con il progetto architettonico redatto forse da Francesco Maria Preti, il prospetto principale venne unito a quelli delle barchesse preesistenti, disposte sui lati, tramite l'introduzione di corpi intermedi porticati a un unico livello. L'intero sviluppo del piano terra risultava ora scandito da una superficie bugnata, mentre il piano nobile della villa era definito da un ordine gigante di semicolonne ioniche, sormontate da un timpano con statue nel settore centrale. 

Gli stessi Maruzzi commissionarono inoltre le decorazioni degli ambienti interni: Giovanni Battista Crosato, allievo di Tiepolo, affrescò il salone centrale con episodi della vita di Alessandro Magno e Giuseppe Zais eseguì i disegni per la stuccatura di una delle camere da letto. 

Alla stessa epoca risale anche la sistemazione del parco. Nella parte antistante la facciata principale venne creato un giardino all'italiana, ornato da una fontana e da una ricca statuaria, mentre, oltre la villa, si estendevano vasti spazi verdi, con viali di carpini e tigli e una grande peschiera.