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Nel 1384 Gubbio viene incluso nei domini dei Montefeltro. Per la loro residenza, si scelgono dei caseggiati ubicati di fronte al Duomo, nella parte più elevata della città. È Federico, nato presso il vicino castello di Petroia nel 1422, a promuovere la ricostruzione del Palazzo Ducale nelle forme tipiche del Rinascimento. L’opera fu affidata al senese Francesco di Giorgio Martini, che si dice abbia rielaborato una prima idea di Luciano Laurana.
Tale struttura, unico esemplare di architettura rinascimentale in una città principalmente medievale, si distingue per l’eccellenza dei tratti architettonici e la raffinatezza delle decorazioni, specialmente nei capitelli, nelle mostre di porte e camini che recano gli stemmi di Federico e della sua dinastia, con ciò consentendo di fissare il periodo di costruzione tra il 1474, anno della sua nomina a Duca, e il 1482, anno in cui Federico scompare e al suo posto sale al trono il figlio Guidobaldo.
In tale arco di tempo era già ampiamente completata anche la famosa stanza da studio, ricoperta da pannelli intagliati dal fiorentino Giuliano da Maiano, secondo i disegni di Francesco di Giorgio e forse dei dipinti di Pedro Berreguete.
