Pour accueillir les très riches collections d'art de la Galerie nationale des Marches, il ne pouvait y avoir de meilleur siège que le Palais Ducal d'Urbino, une véritable citadelle fortifiée où, au XVe siècle , Frédéric de Montefeltro réunit de nombreux artistes et intellectuels de la Renaissance, pas seulement italiens, qui laissèrent souvent une trace de leur passage. Le palais et ses décorations contribuent ainsi, avec les œuvres exposées, à tracer un tableau de la meilleure production artistique entre le Moyen Âge et la Renaissance. Le palais monumental est une œuvre d'art extraordinaire en soi, fruit du génie architectural de Luciano Laurana et de Francesco di Giorgio Martini, grand concepteur de fortifications et de châteaux.
Les collections, aménagées à l'étage noble du palais, sont en grande partie l'héritage des dynasties des Montefeltro et des Della Rovere, qui ont ensuite pris le pouvoir. Il est impossible de dresser la liste des chefs-d'œuvre exposés. On part de peintures des XIVe et XVe siècles données par l'écrivain d'Urbino Paolo Volponi et ses héritiers, pour arriver aux maîtres de la Renaissance : Luca Signorelli, Paolo Uccello, Titien, Pedro Berruguete, Giusto di Gand… Les plus représentés sont peut-être Piero della Francesca et Raphaël, l'artiste d'Urbino par excellence. On doit à Piero della Francesca deux chefs-d'œuvre tels que la Flagellation et la Madonna di Senigallia, mais on lui attribue parfois aussi la célèbre Vue de la ville idéale, que d'autres considèrent comme l'œuvre de Laurana, représentation des idéaux de perfection et d'harmonie propres à la Renaissance. Raphaël est l'auteur des dessins des sept tapisseries des Actes des Apôtres, tissées au XVIIe siècle, qui ornent les murs de la salle du Trône, et de deux peintures : l'énigmatique portrait de dame appelé La Muta et le petit tableau représentant sainte Catherine.
En plus de la galerie, le Palais Ducal abrite la Surintendance du patrimoine artistique et historique des Marches et le musée archéologique lapidaire.