Nel 1468 inizia l'edificazione del nuovo Palazzo Ducale, inglobando una precedente residenza signorile posta strategicamente sulla piazza, all'intersezione del cardo e del decumano della città romana, e di fronte al Duomo.
Il progetto del palazzo ducale realizzato sicuramente da Luciano Laurana
è il cortile, i corpo a due piani sulla piazza, ed il fronte sulle mura con
i due caratteristici torricini, ovvero della parte più caratterizzante
dell’edificio, come risulta anche dalla patente del duca Federico del
10 giugno 1468 che gli conferisce il titolo di «Ingegniero et Capo di tutti
li maestri».
Centro del palazzo è il Cortile d'Onore, caratterizzato dagli archi leggeri e dall'armoniosa scansione delle finestre del primo piano, incorniciate da un marmo bianco che spicca sul tono rosato del mattone. Geniale per la felice inserzione nell'ambiente naturale è soprattutto la facciata verso la valle, detta dei Torricini, dove le logge ariose che si aprono al centro accentuano il valore non più bellico e difensivo, ma "cortese"e umanistico della struttura delle snelle torri laterali.
Il palazzo Ducale è l'unica opera sicura e documentata di Francesco dato che l'altra sua realizzazione sicura, la Rocca Costanza di Pesaro, ove lavorò dal 1476, è arrivata a noi profondamente modificata, ma da quello che Laurana mostra con le sue geniali realizzazioni del palazzo d'Urbino, possiamo vedere come abbia perfettamente assimilato e padroneggiato le idee guida del Brunelleschi e la classicità strutturale dell'Alberti, rielaborandole con estrema personalità con una singolare accentuazione della superficie luminosa delle architetture, che testimoniano i proficui contatti con Piero della Francesca, anche lui operante ad Urbino.
In seguito, nel 1474 Federico incarica Francesco di Giorgo Martini del completamento dell'opera. L'architetto interviene nelle quinte del cortile, nella facciata ad ali con giardino pensile, e soprattutto realizza il sistema di servizi sottostanti al palazzo, e, in fondo alla rupe, il corpo delle scuderie con una scala elicoidale di collegamento con il piano di residenza.
Il risultato del lavoro del Laurana, di Francesco di Giorgio e insieme di
Federico da Montefeltro è
un palazzo
di grande valore nel sistema urbano della città, perchè occupa e
reinterpreta il luogo centrale, ma soprattutto perché si colloca sulle mura,
integrandosi all'apparato difensivo e militare più emblematico del Ducato
che impronta di sé tutta la visione urbanistica di Urbino formando quasi
una "città in forma di palazzo", come dirà il Castiglione.