Il Palazzo Ducale, situato al fianco della Cattedrale, è uno dei più interessanti esempi architettonici e artistici dell'intero Rinascimento italiano, sede della Galleria Nazionale delle Marche. Si tratta del progetto più ambizioso di Federico da Montefeltro, con la sistemazione urbanistica di Urbino come "città del principe". Nel 1454 diede ordine di congiungere i due edifici ducali antichi, chiamando architetti fiorentini di formazione brunelleschiana. Il risultato, nel corso di dieci anni, fu il "Palazzetto della Jole", a tre piani, in stile austero, tipicamente toscano. A ciò si aggiunse l'Appartamento dei Melaranci e un abbozzo del cortile. Dopo il 1462, il progetto venne mutato, con l'intenzione di farne anche sede amministrativa e luogo dove ospitare personaggi illustri. Fulcro del nuovo assetto fu il vasto cortile porticato, che raccordava gli edifici precedenti. Il cortile ha forme classiche, con un portico ad archi a tutto sesto, oculi e colonne corinzie al pian terreno, mentre il primo piano è scandito da lesene e finestre architravate. Il Laurana realizzò lo Scalone d'Onore, la Biblioteca, la Sala degli Angeli, la Sala delle Udienze, le Soprallogge, la Zona Sacra e le Cappelline. Da questo nuovo nucleo, il Palazzo venne poi dilatato verso la città e in direzione opposta: la facciata verso la città ebbe una forma "a libro aperto" (a "L"), su Piazzale Duca Federico Il; mentre il fronte a strapiombo su Valbona venne completato con la cosiddetta "Facciata dei Torricini". Nel 1472, subentrò alla direzione dei lavori Francesco di Giorgio, che iniziò un nuovo sviluppo, curando gli spazi privati, gli impianti idrici, le logge, la Terrazza del Gallo, il Bagno del Duca e il Giardino Pensile. Di notevole interesse è il famoso Studiolo di Federico da Montefeltro, splendida opera di trompe-l'œil, dove restano alcune delle più famose tarsie lignee del Rinascimento.