Palazzo Vagnucci (poi Vagnucci Petrella) occupa buona parte dell'isolato delimitato da Vicolo Vagnucci, Via Coppi, Vicolo Baldacchini e Via Nazionale (anticamente denominata Ruga Piana), sulla quale si trova l'ingresso principale.

L'edificio si colloca nel tessuto urbano medievale (XII-XIII secolo). Lungo Ruga Piana avevano la loro dimora alcune delle famiglie più importanti di Cortona (Alticozzi, Mancini, Venuti, Baldacchini-Tommasi etc..). Palazzo Vagnucci prende il nome dalla nobile famiglia cortonese dei Vagnucci, con lo stemma familiare -"orso ritto incoronato che tiene con una zampa tre rose"- ancora apposto sulla facciata del palazzo. La famiglia Vagnucci risiede nel palazzo almeno dal XVI secolo e ne è stata proprietaria fino alla seconda metà del XIX secolo.

Si tratta di un edificio complesso con elementi tipici sei-settecenteschi, frutto dell'accorpamento fortemente diacronico di più unità edilizie, con una volumetria e planimetria molto articolate a causa del dislivello esistente tra Via Nazionale e Via Coppi.

Il corpo principale, datato al XIII-XIV secolo, si affaccia su Via Nazionale con un prospetto unitario (tre piani con cornici marcadavanzale, sottogronda e finestre riquadrate in pietra) caratterizzato dall'avancorpo del portale d'ingresso con parametro in bugnato liscio, breve balcone  e stemma sovrastante dovuto ad un parziale ridisegno della fine del '700 - primi dell'800. La parte retrostante, con aperture poste asimmetricamente, delimita da nord la corte (con accesso a Via Coppi). Intorno alla corte interna del palazzo sono disposti gli altri tre corpi di fabbrica che compongono l'edificio e che confermano, nella tessitura muraria, la messa in atto di varie e successive espansioni.

Proprio sul lato di Via Coppi, sebbene in stato di degrado, si nota la parte originariamente destinata a fattoria, elemento tipico delle case patrizie cortonesi; anche nel palazzo di città si vinificava l'uva e si imbottigliava il vino, si molinavano le olive e si conservava l'olio, si ammassava parte del grano e s'immagazzinavano le grascie in genere necessarie al fabbisogno alimentare delle famiglie per molti mesi.

Tra le particolarità costruttive, si segnala infine, nelle sostruzioni del palazzo le cosiddette grotte o bisciai, un sistema diffuso a Cortona per il drenaggio e la raccolta delle acque.

La roccia o masso sul quale è fondato l'edificio è lasciato scoperto in modo che l'acqua possa defluire liberamente per confluire in una limitrofa cisterna. All'interno si trovano stupende pitture(XVII-XVIII secolo) che ornano le volte e le pareti dei saloni di Palazzo Vagnucci. 

Secondo una tradizione, largamente ripresa da fonti bibliografiche, all'angolo fra Via Coppi e Vicolo Vagnucci, si trovava, alla metà del XII secolo, la casa della famiglia Coppi; qui avrebbe abitato il famoso frate Elia, architetto della chiesa di San Francesco e pianificatore della città.

Secondo Girolamo Mancini,le pietre della muratura di tale casa-torre "Sono lavorate come quelle del tempio di San Francesco (…) e le altre del Palazzo del Popolo in via Passerini. La costruzione risale alla metà del secolo XIII e può risalire più indietro". Dalla casa-torre si possono vedere gli archi in conci di pietra, finestre assimilabili a feritoie e la cosiddetta "porta del morto" che sarebbe stata in realtà una specie di porta di servizio. Inoltre Mancini annota" verso metà, il numero 6 (di Vicolo Vagnucci) comincia a delinearsi un palazzo che ancora conserva traccie di stile gotico, di cui le finestre richiuse, le porte danneggiate conservano ancora l'arco a sesto acuto, e un apparenza di nobiltà ormai decaduta".

Ricerche catastali documentano con sicurezza nel 1524 la proprietà di alcuni componenti della famiglia Vagnucci nel terziere di San Vincenzo, nel sito dell'attuale palazzo.

Risultano almeno quattro unità abitative di cui: due con chiostro, una con chiostro e bottega. La residenza di questa famiglia cortonese è meglio confermata dal catasto del 1569.

Nel catasto del 1635, si individua con certezza una parte dell'attuale edificio nei beni di Candido del cavalier Francesco Vagnucci.

Nello stesso anno Candido acquista una casa confinante, il che fa ipotizzare anche una successiva ristrutturazione del palazzo di famiglia. E' lo stesso Candido ad ospitare, nel 1643, la Duchessa della Cornia, come è riportato in un diario.

Dopo le diverse successioni ed acquisizioni di proprietà limitrofe da parte di vari componenti della famiglia, a metà del XVIII secolo, Niccolò Vagnucci amplia ancora la proprietà con altri acquisti e probabilmente promuove un'altra ristrutturazione del palazzo. Sembrerebbe risalire a questi anni un'importante decorazione pittorica del salone a piano terra (oggi agenzia turistica), forse opera di un quadraturista di scuola turco romagnola, con cornici armonizzate sia nell'imposta delle volte che nelle porte. Coevi gli stucchi che abbelliscono i locali adiacenti nonché quelli che ospitano la banca e che incorniciano affreschi di epoca anteriore.

Nel 1777 eredita il figlio di Niccolò, Girolamo. Al gusto neoclassico di fine secolo sembrano ispirarsi i decori di alcuni ambienti, come quelli della cosiddetta "sala delle colonne" al primo piano, ampiamente citata in alcune descrizioni ottocentesche.

Una relazione fatta per la messa a punto di un catasto particellare del 1807 descrive la proprietà dei Vagnucci su Via Nazionale, dove si distingue una "Casa con Cavalcavia" di 20 stanze e una bottega ed un "Palazzo di propria abitazione di stanze n.78 compresovi le stanze di Frate Elia Coppi, tre piazze scoperte, due pozzi, che uno con tomba d'acqua di condotto, un piccolo orto, loggia e terrazzo..."

Si conformerebbe una ristrutturazione di fine '700, inizio '800, un intervento parziale, con la costruzione dell'ampia scala d'accesso al primo piano, a pozzo, dal soffitto decorato con motivi a cassettoni.

Sono probabilmente coeve le decorazioni del salone che si affaccia sul balcone, con grottesche e riquadri che raffigurano le gesta della famiglia Vagnucci, il cui stemma è dipinto al centro. Nella relazione di cui sopra, si parla anche di una cappella, della quale oggi non vi è più traccia.

Una lapide commemorativa apposta nel cortile ricorda la visita, nel 1809, della granduchessa di Toscana, Elisa Baiocchi che si era recata in Val di Chiana.

Nel 1790 Girolamo Vagnucci dona l'immobile ai quattro figli: Jacopo, Dionisio, Francesco e Pietro.

Nel 1858 la vedova di Pietro Vagnucci, Maria Bartolini, risulta intestataria dell'intero palazzo che, a titolo di successione, confluisce nel 1874 nelle proprietà della famiglia Bourbon di Petrella.