Il primo piano o piano nobile del Palazzo è il cuore pulsante dell’edificio. Si divide convenzionalmente in cinque appartamenti che, insieme al Salone del Trono, sono costituiti da circa trenta ambienti.
L’Appartamento della Jole, formato da sette sale disposte sul lato est del piano, fu la prima residenza di Federico da Montefeltro e comprendeva una sala di rappresentanza, una sala per le riunioni di governo, una camera da letto e una guardaroba. Fu l’ala più antica del Palazzo ad essere decorata: infatti, sotto la direzione di Fra Carnevale, l’appartamento fu ristrutturato verso la metà del XV secolo e decorato dallo scultore Michele di Giovanni da Fiesole e dalla sua bottega. L’appartamento, che deve il suo nome alla mitica figura di Jole rappresentata come cariatide del camino della prima sala, fu probabilmente l’unico ad essere abitato dall’amatissima moglie di Federico, la contessa Battista Sforza, morta nel 1472.
Immediatamente successivo dal punto di vista cronologico, il cosiddetto Appartamento dei Melaranci, che si affaccia sul Cortile del Pasquino, deve il suo nome al tipo di piante ornamentali collocate in epoca roveresca sulle logge adiacenti. L’appartamento era probabilmente destinato ad accogliere gli ospiti importanti di Federico e dei suoi successori.
L’Appartamento degli Ospiti è composto da cinque sale, destinate anch’esse alla ricezione di personaggi di alto rango. La Sala del Re d’Inghilterra, riccamente decorata nel periodo roveresco, è rimasta celebre per aver accolto nel XVIII secolo il pretendente al trono d’Inghilterra e di Scozia Giacomo Stuart, ospite del papa urbinate Clemente XI Albani.
L’Appartamento del Duca, o Realissimo, posto sul lato occidentale del palazzo, fu edificato dalla metà degli anni ‘60 del XV secolo sotto la supervisione di Luciano Laurana e consta di pochi ma eccezionali ambienti. Questi vani, splendidamente decorati, avevano lo scopo di manifestare la potenza del Duca. Fanno parte di quest’ala la Sala degli Angeli, il cui nome è dovuto al maestoso camino realizzato da Domenico Rosselli, e lo straordinario Studiolo di Federico, le cui pareti sono rivestite con eccezionali tarsie lignee.
Infine troviamo l’Appartamento della Duchessa, che si trova nell’estrema parte settentrionale del Palazzo, la più antica di tutto il complesso, chiamata “Castellare”, la cui ristrutturazione era stata affidata a Francesco di Giorgio Martini. Insieme a quelli del Duca e della Jole, questo appartamento è caratterizzato, oltre che da ambienti più funzionali come la stanza da letto e la guardaroba, anche da una sala di rappresentanza denominata da Baldassar Castiglione Sala delle Veglie, riservata alle colte conversazioni tra i membri della corte.