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Im Jahr 1384 wurde Gubbio in die Herrschaft der Familie Montefeltro aufgenommen. Als Residenz wählten sie ein Gebäude gegenüber dem Dom, im höchsten Teil der Stadt. Es war Federico, der 1422 in der nahe gelegenen Burg von Petroia geboren wurde, der den Wiederaufbau des Herzogspalastes in den typischen Formen der Renaissance förderte. Das Werk wurde dem Sieneser Francesco di Giorgio Martini anvertraut, der eine erste Idee von Luciano Laurana überarbeitet haben soll.
Dieses Bauwerk, das einzige Beispiel der Renaissance-Architektur in einer überwiegend mittelalterlichen Stadt, zeichnet sich durch die Exzellenz der architektonischen Merkmale und die Raffinesse der Dekorationen aus, insbesondere in den Kapitellen, in den Tür- und Kaminausstellungen, die die Wappen von Federico und seiner Dynastie tragen, wodurch es möglich ist, die Bauzeit zwischen 1474, dem Jahr seiner Ernennung zum Herzog, und 1482, dem Jahr, in dem Federico verschwindet und sein Sohn Guidobaldo an seine Stelle auf den Thron kommt, festzulegen.
In dieser Zeit war auch der berühmte Studienraum bereits weitgehend fertiggestellt, der mit geschnitzten Paneelen des Florentiners Giuliano da Maiano nach den Zeichnungen von Francesco di Giorgio und vielleicht den Gemälden von Pedro Berreguete bedeckt war.