Fu in seguito, dal 1541 e il 1543, in Francia come assistente del Primaticcio nel cantiere della reggia di Fontainebleau, dove dipinse prospettive e curò il getto delle copie in bronzo dei calchi presi a Roma. Nel 1550 si trasferì definitivamente a Roma. Divenne l’architetto dei Farnese e lavorò prevalentemente per essi per oltre vent’anni, raggiungendo un grande successo professionale. Palazzo farnese, eretto dal Vignola  su un preesistente fortilizio del Sangallo ed è considereato uno dei capolavoro d’architettura manierista. 

Assunse anche l’incarico, dopo la morte di Michelangelo nel 1564, di architetto capo della basilica di San Pietro in Vaticano. Lavorò per Per papa Giulio III a Villa Giulia, rielaborando precedenti progetti. Contemporaneamente, tra il 1551 e il 1553, costruì il tempietto a pianta quadrata con cupola ovale di Sant’Andrea.