Historia Pałacu Karolin sięga początku XX wieku. Towarzystwo Pomocy Lekarskiej i Opieki nad Umysłowo i Nerwowo Chorymi postanowiło zbudować sanatorium „dla niezamożnych i nerwowo chorych” na działce podarowanej przez Feliksa Bobrowskiego. Do budowy pałacu przystąpiono w 1909 roku przy wsparciu Karoliny Bobrowskiej, wdowy po darczyńcy ziemi. Od jej imienia pochodzi nazwa Karolin. Budynek, wzniesiony według projektu architekta Czesława Domaniewskiego, ukończono i oddano do użytku w 1911 roku. Po I wojnie światowej ze względu na brak funduszy zawieszono działalność sanatorium, a budynek zajął Rosyjski Czerwony Krzyż.
W 1923 roku pałac został wydzierżawiony Towarzystwu Dobroczynności. Kuracjusze wrócili do Karolina w 1932 roku, po generalnym remoncie zrujnowanego pałacu. Obok leczenia nerwowo chorych zaczęto prowadzić również działalność komercyjną i wynajmować pokoje wczasowiczom.

Z czasem Karolin stał się jednym z droższych ośrodków wypoczynkowo – leczniczych w Polsce, do którego chętnie przyjeżdżali uciekający od zgiełku miasta artyści i literaci. Jeszcze przed II wojną światową w pałacu bywała Mira Zimińska wraz ze swoimi przyjaciółmi.

Towarzystwo Pomocy Lekarskiej i Opieki nad Umysłowo i Nerwowo Chorymi rozwiązano w 1947 roku. W Pałacu Karolin miał powstać szpital lub sanatorium dla wysoko postawionych osób w państwie, jednak ostatecznie narodził się pomysł, aby przeznaczyć go na siedzibę zespołu ludowego, którego powstaniem miał się zająć Tadeusz Sygietyński. Z końcem 1948 roku do Karolina zaczęła przybywać pierwsza młodzież. Kiedy w 1949 roku Państwowy Zespół Ludowy Pieśni i Tańca „Mazowsze” oficjalnie rozpoczął działalność, budynek pałacu w całości przekazano na jego użytek.

Pałac Karolin ponad 70 lat temu, dzięki staraniom Tadeusza Sygietyńskiego i Miry Zimińskiej-Sygietyńskiej, stał się miejscem pracy i nauki, a także drugim domem dla przyjeżdżającej tu z całej Polski młodzieży. Powojenna historia tego miejsca to opowieść o sukcesach kilku pokoleń polskich artystów, ale też ciągłej trosce i walce o rozwój siedziby Zespołu – serca „Mazowsza”. W pierwszych latach działalności zespołu we wnętrzach pałacu mieściły się pokoje sypialne dla chłopców i dziewcząt, odbywały się zajęcia z tańców ludowych, teorii muzyki, lekcje śpiewu i gry na instrumentach oraz nauka przedmiotów ogólnokształcących. W budynku zorganizowano także świetlicę, w której prowadzono zajęcia między innymi z haftu i wycinanki. W suterenie była kuchnia ze stołówką, magazyny i kotłownia. Z czasem w zabudowanych loggiach balkonowych parteru i piętra zaczęto gromadzić pamiątki z licznych tournée zagranicznych „Mazowsza". Po latach intensywnej eksploatacji pałacu, kiedy w 2009 roku na terenie należącym do Zespołu otwarto nowoczesny obiekt z salą widowiskową, garderobami i salami prób, zabytkowy budynek został przeznaczony wyłącznie na cele biurowe i miejsce do przechowywania oraz prezentowania zbiorów „Mazowsza”.