Frente al Duomo, en la parte alta de la ciudad, se encuentra el bello Palacio Ducal, el único ejemplo de arquitectura renacentista de la ciudad de Gubbio, que conserva en su mayor parte un trazado medieval.
El edificio fue construido, en muy poco tiempo, en la segunda mitad del siglo XV por encargo de Federico di Montefeltro, pero probablemente la obra se terminó después de la muerte de este último, bajo la dirección de su hijo Guidobaldo. El proyecto arquitectónico se distingue por su elegancia y magnificencia. Fue creado por el sienés Francesco di Giorgio Martini que tal vez tomó un modelo ya desarrollado por Laurana.
La familia Montefeltro mandó modificar algunos edificios preexistentes para construir el caserío, cuyos restos aún se pueden ver en las paredes exteriores del palacio en correspondencia con el gran patio central, que una vez fue la sede de la plaza del ayuntamiento.
La riqueza y la importancia del Palacio Ducal de Gubbio quedó demostrada por la presencia, en su interior, del «studiolo di Federico», realizado con bellos paneles de taracea y placas pintadas sobre la maqueta del de Urbino. Lamentablemente, estas obras de arte fueron desmanteladas y vendidas posteriormente, llegando en 1939 al Metropolitan Museum de Nueva York, donde aún se conservan.
En 2009 se instaló en Gubbio una bella réplica del studiolo original, que se puede visitar y admirar junto con el mobiliario original que aún se conserva en las salas internas y con el equipamiento de una valiosa colección de pinturas de Gubbio realizadas entre los siglos XIII y XVIII.