En 1384, Gubbio est inclus dans les domaines des Montefeltro. Pour leur résidence, ils choisissent des immeubles situés en face de la cathédrale, dans la partie la plus élevée de la ville. C'est Federico, né près du château voisin de Petroia en 1422, qui promeut la reconstruction du Palais Ducal dans les formes typiques de la Renaissance. L'œuvre a été confiée au siennois Francesco di Giorgio Martini, qui aurait retravaillé une première idée de Luciano Laurana.
Cette structure, unique exemple d'architecture de la Renaissance dans une ville principalement médiévale, se distingue par l'excellence de ses traits architecturaux et le raffinement de ses décorations, en particulier dans les chapiteaux, les expositions de portes et de cheminées qui portent les armoiries de Frédéric et de sa dynastie, permettant ainsi de fixer la période de construction entre 1474, année de sa nomination au poste de duc, et 1482, année où Frédéric disparaît et où son fils Guidobaldo monte sur le trône à sa place.
À cette époque, la célèbre salle d'étude, recouverte de panneaux sculptés par le Florentin Giuliano da Maiano, selon les dessins de Francesco di Giorgio et peut-être des peintures de Pedro Berreguete, était déjà largement achevée.