Tradizionalmente è nota come Sala degli Uomini d’arme per i resti delle pitture murali che la decorano. Si può definire anche Sala delle nozze di Federico e Battista perché, grazie al restauro condotto da Pasquale Rotondi nel 1939, oltre a recuperare parte della stesura pittorica originaria sotto numerosi strati d’intonaco e di cuoio, si riscoprirono nelle vele della volta tracce degli stemmi di Battista Sforza (leone con il cotogno) insieme a quelli di Federico. Ciò ha permesso di collegarne la decorazione pittorica all’evento del loro matrimonio, celebrato a Pesaro nel novembre del 1459, o poco oltre.
Le pitture, eseguite a tempera sull’intonaco secco, furono realizzate dal camerinese Giovanni Boccati (ca. 1420-1482/89) e rappresentano il tema degli uomini e donne illustri dell’antichità classica. Le figure in piedi al di qua di un finto velario erano immaginate su un palcoscenico aperto sul cielo azzurro, punteggiato di angioletti giocosi dipinti nelle lunette della volta.
Si tratta nel complesso di una tipica raffigurazione usata nelle sale di rappresentanza delle corti tardogotiche e della prima età rinascimentale: alcuni esempi sono in Palazzo Trinci a Foligno  (PG) e in Palazzo Orsini a Tagliacozzo (oggi nel Museo Nazionale dell’Aquila), nelle perdute ma  documentate decorazioni di Masolino da Panicale nel Palazzo Orsini di Montegiordano a Roma e di Domenico Veneziano in Palazzo Baglioni a Perugia.  Tra le diciassette figure che ornavano le pareti è stato riconosciuto con certezza il romano Muzio Scevola, la cui condotta morale fu esemplare. Altri possibili personaggi potrebbero essere Furio Camillo e i condottieri Annibale, Alessandro Magno e Giulio Cesare. I resti di due giovani dai capelli biondi al centro della parete occidentale hanno portato gli studiosi a ipotizzare le raffigurazioni di Federico e di Battista, o meglio di Buonconte e di Bernardino, figli rispettivamente del Montefeltro e di Ottaviano Ubaldini.
Il camino è un altro dei capolavori di Michele di Giovanni da Fiesole detto “Il Greco” (ca. 1418-1480): anche qui invenzioni di Donatello furono d’ispirazione per gli angioletti suonatori.
Le tarsie delle ante delle porte della sala successiva rappresentano altri simboli araldici legati a Federico: la scopetta, che richiama la purezza morale del signore, i freni a spirale per il morso del cavallo, che alludono all’equilibro necessario per governare con giustizia.