L'attuale palazzo sorge sul luogo un tempo occupato dal castello fatto erigere nel 1291 da Obizzo d’Este, marchese di Ferrara, poi ricostruito mezzo secolo più tardi. Qui confluivano i vari canali modenesi che, scorrendo da sud verso il Po, si univano nel fossato della fortezza e ne uscivano uniti dal retro, lungo l’attuale viale Vittorio Emanuele II. Dopo la devoluzione di Ferrara al Papa, Modena nel 1598 divenne capitale del ducato estense e il duca Cesare d'Este si sistemò nel castello, che apparve inadatto alle esigenze di una corte europea. Pertanto suo nipote duca Francesco I d'Este fece realizzare un nuovo palazzo a partire dal 1634 su progetto dell’architetto Bartolomeo Avanzini, con i contributi di Gian Lorenzo Bernini, Francesco Borromini e Gaspare Vigarani. Il Palazzo, per grandezza e fasto, è tra le più prestigiose regge a livello europeo ed è sede della Corte Estense fino all'ultimo duca Francesco V d'Austria-Este (1859).

L'elegante facciata si presenta con tre piante di finestre affiancate, coronate da balaustre con statue. La parte centrale e quelle laterali sono sopraelevate. Il Cortile d'Onore, con elegante loggiato a due piani, è un capolavoro dell'architettura barocca. Da qui si accede allo Scalone d'Onore ornato da statue romane, che porta al Loggiato e alle numerose sale dell'Appartamento di Stato.

Il Palazzo Ducale ospita la prestigiosa Accademia Militare di Modena.