Le sale del Palazzo Ducale, voluto da Federico da Montefeltro nel 1465 ed eseguito da Luciano Laurana e Francesco di Giorgio Martini, sono la sede della galleria, istituita nel 1912. Tra le opere esposte, sono da segnalare: della scuola veneta, due dipinti attribuiti a Carlo Crivelli e il polittico proveniente da Monte Fiorentino di Alvise Vivarini (1476); due capolavori di Piero della Francesca, la Flagellazione (1447 ca.) e la Madonna di Senigallia; le 14 tavolette (ritratti di uomini illustri) di Giusto di Gand e Pedro Berruguete; il Ritratto di Federico da Montefeltro col figlio Guidobaldo, pure del Berreguete; la tavola della fine del XV secolo, attribuita a Luciano Laurana, con la celebre Città ideale; la predella di Paolo Uccello con il Miracolo dell'Ostia profanata (1465-1468); due dipinti di Raffaello (Ritratto di gentildonna detta La Muta e S. Caterina d'Alessandria); altri del Bramantino, cui è attribuito il Cristo benedicente, Timoteo Viti, Tiziano, Raffaellino del Colle, Pellegrino Tibaldi, Federico Barocci, Orazio Gentileschi. Inoltre una lunetta in terracotta invetriata di Luca della Robbia, ceramiche di Faenza, Castel Durante e Urbino