Lo splendido palazzo, voluto da Federico da Montefeltro a gloria della sua casata e, al contempo, espressione della sua personalità di uomo del Rinascimento, è sede della Galleria Nazionale delle Marche, istituita nel 1912. Sotto il dominio di Federico, che giunge al governo dello Stato dei Montefeltro nel 1444, Urbino diventa in pochi decenni uno dei fari del Rinascimento italiano. Nel 1474 il conte riceve da Sisto V della Rovere l'ambita nomina a duca e l'orgogliosa iscrizione FE-DUX campeggia dopo quella data su molte parti del palazzo. Grazie alla raffinata scelta di decoratori, provenienti soprattutto da Firenze e dalla Lombardia, e di artisti e architetti all'avanguardia, come Piero della Francesca o Leon Battista Alberti, Federico trasforma definitivamente il contesto culturale e urbano. Il palazzo ducale è contrassegnato da diverse fasi di sviluppo cui ha contribuito essenzialmente l'architetto dalmata Luciano Laurana, disponendo organicamente gli spazi attorno al cortile e realizzando la pittoresca facciata serrata tra due slanciati torricini divenuti elemento inconfondibile del paesaggio urbinate. Al completamento del palazzo lavorarono in seguito altri importanti architetti quali il senese Francesco di Giorgio Martini e Girolamo Genga. La Galleria Nazionale delle Marche è costituita da una raccolta di opere provenienti in gran parte dal territorio marchigiano, che documentano l'arte della regione, oltre che quella italiana. Nella sua storia il museo ha visto un continuo ampliarsi delle collezioni e degli spazi espositivi nel palazzo, con una costante politica di acquisti e donazioni. Le collezioni, ordinate cronologicamente e per scuole, occupano settantatré sale, principalmente al piano nobile e al secondo piano della residenza ducale, tra le quali spiccano in particolare dipinti di Piero della Francesca, Paolo Uccello, Giusto di Gand, Pedro Berruguete, Giovanni Santi, Luca Signorelli, Raffaello, Tiziano Vecellio, Lorenzo Lotto, Federico Barocci, Orazio Gentileschi, Giovan Francesco Guerrieri, Guercino, Reni, ecc.

Le collezioni della Galleria Nazionale delle Marche