Gegenüber vom Dom, im oberen Bereich der Stadt, erhebt sich der Palazzo Ducale, ein einzigartiges Beispiel für Renaissance-Architektur in Gubbio, der jedoch hauptsächlich ein mittelalterliches Erscheinungsbild bewahrt.
Das Gebäude wurde innerhalb von kürzester Zeit in der zweiten Hälfte des 15. Jahrhunderts im Auftrag von Federico di Montefeltro errichtet, aber wahrscheinlich wurden die Arbeiten erst nach seinem Tod unter der Leitung seines Sohnes, Guidobaldo, abgeschlossen. Das architektonische und dekorative Projekt unterscheidet sich durch seine Eleganz und seinen Prunk und wurde vom Francesco di Giorgio Martini aus Siena errichtet, der wahrscheinlich ein von Laurana entworfenes Modell anwendete.
Zur Errichtung des Herrschaftssitzes ließen die Montefeltro einige bereits bestehende, mittelalterliche Gebäude abändern, deren Spuren noch an den Außenmauern des Palazzo am großen Innenhof, auf dem sich einst die Piazza del Comune befand, zu erkennen sind.
Der Reichtum und die Bedeutung des Palazzo Ducale von Gubbio wurde durch das im Inneren vorhandene „Studiolo di Federico“ bezeugt, das aus wunderschönen Platten mit Einlegearbeiten und Tafeln mit Gemälden nach dem Modell in Urbino besteht. Leider wurden diese Kunstwerke später abgenommen und verkauft, sodass sie 1939 bis ins Metropolitan Museum in New York kamen, wo sie noch heute aufbewahrt werden.
In Gubbio wurde 2009 eine wunderbare Replik des ursprünglichen „Studiolo“ eingerichtet, die zusammen mit den originalen Einrichtungsgegenständen, die noch heute in den Sälen aufbewahrt werden, sowie mit einer wertvollen Sammlung an Gemälden aus Gubbino, die zwischen dem 13. Und dem 18. Jahrhundert entstanden, besichtigt werden kann.