Pałac został wybudowany według projektu Leopolda Szlegiela (Schlegella) w latach 1790-1791 na zlecenie właścicielki Młynowa, Ludwiki Chodkiewiczowej (1744-1816). Późniejsze prace, przypadające na lata 1798-1803, nadzorował już inny architekt – Jan Słoniewski. W tamtym okresie Młynów znajdował się w granicach województwa wołyńskiego I Rzeczypospolitej. 

Pałac został zbudowany w stylu klasycystycznym na planie wydłużonego prostokąta. Był budowlą dwukondygnacyjną. Od frontu znajdowało się wejście z sześcioma kolumnami i ozdobnym trójkątnym zwieńczeniem. Budynek przykrywał czterospadowy dach. Do pałacu z rozległym dziedzińcem prowadziła ozdobna brama wjazdowa. Rezydencję otaczał okazały park krajobrazowy, który zgodnie z pierwotną koncepcją Szlegiela miał charakter ogrodu włoskiego.

Urządzeniem rezydencji zajął się Aleksander Chodkiewicz (1776–1838), generał i senator Rzeczypospolitej. Komnaty pałacu ozdobiły freski oraz bogata sztukateria. Ściany pokrywały malowidła o tematyce krajobrazowej, roślinnej i architektonicznej. Pomieszczenia wyposażono w meble w stylu empire oraz marmurowe kominki, a z sufitów zwisały kryształowe żyrandole. Młynów słynął również z unikalnej kolekcji porcelany, sreber, zegarów i okazałych kandelabrów.

W pałacu zgromadzono niezwykle cenną kolekcję dzieł sztuki, której tworzenie zapoczątkował wspomniany wcześniej gen. Aleksander Chodkiewicz. Zbiory były następnie systematycznie powiększane przez jego potomków i spadkobierców. Najliczniejszą część kolekcji stanowiło malarstwo polskie, w tym obrazy takich artystów, jak Walenty Wańkowicz, Józef Oleszkiewicz, January Suchodolski i Franciszek Smuglewicz. Rezydencja mogła poszczycić się także imponującą biblioteką. Po grabieży zbiorów pałacowych przez bolszewików w 1919 r. około 5 tysięcy tomów ocalił hr. Mieczysław Chodkiewicz, który przewiózł je do Krakowa i Lwowa. 

Nigdy nie ukończono wszystkich elementów planowanej rezydencji. Po zniszczeniach, których doznał podczas I wojny światowej, pałac stopniowo popadał w ruinę. Po 1939 r. budynek został rozebrany do fundamentów. Przetrwała jedynie dawna oficyna i niektóre z budowli parkowych. 

Na miejscu dawnego pałacu w latach 60. XX w. wzniesiono istniejący do dziś budynek technikum weterynaryjnego.