Em 1384, Gubbio foi incluída nos domínios da família Montefeltro. Para a sua residência, escolhem os edifícios localizados em frente à Catedral, na parte mais alta da cidade. Foi Federico, nascido no castelo vizinho de Petroia em 1422, quem promoveu a reconstrução do Palácio Ducal nas formas típicas do Renascimento. A obra foi confiada ao sienês Francesco di Giorgio Martini, que se diz ter reelaborado uma ideia inicial de Luciano Laurana.
Esta estrutura, o único exemplo de arquitetura renascentista numa cidade principalmente medieval, distingue-se pela excelência das suas características arquitetónicas e pelo requinte das suas decorações, especialmente nos capitéis, nas exposições de portas e lareiras que ostentam os brasões de armas de Frederico e da sua dinastia, permitindo assim fixar o período de construção entre 1474, ano da sua nomeação como Duque, e 1482, ano em que Frederico desapareceu e o seu filho Guidobaldo subiu ao trono em seu lugar.
Neste período, a famosa sala de estudo, coberta com painéis esculpidos pelo florentino Giuliano da Maiano, segundo os desenhos de Francesco di Giorgio e talvez as pinturas de Pedro Berreguete, já estava amplamente concluída.