Addossata alla Corte Vecchia sorge, a partire dal 1480, la Domus Nova, modificata dal duca Vincenzo I (1587-1612). Non lontano dal Castello di San Giorgio, Giulio Romano edifica per Federico II la cosiddetta Corte Nuova, il cui primo nucleo è costituito dall'Appartamento di Troia (1536-1539). Sempre a Giulio si deve l'ideazione della Rustica, poi collegata alla Corte Nuova dalle Galleria della Mostra e dei Mesi, mentre per opera di Giovan Battista Bertani prende forma - dopo la metà del secolo - il Cortile della Mostra, che nel Settecento prende il nome di Cavallerizza.
Alla morte di Francesco II (1519), Isabella d'Este si trasferisce dal Castello in Corte Vecchia. L’appartamento vedovile comprende alcune magnifiche stanze affrescate da Lorenzo Leonbruno: tra queste la magnifica "Camera granda" (detta anche Scalcheria), lo Studiolo, la Grotta e il Giardino Segreto. Negli anni Ottanta del Cinquecento il duca Guglielmo (1550-1587), nipote di Isabella, commissione a Bernardino Facciotto la trasformazione degli ambienti di Corte Vecchia: ecco sorgere il Refettorio, affacciato al Giardino Pensile, e la Sala dello Specchio, destinata alla musica, prospiciente il Cortile delle Otto Facce. Sul rivellino di San Nicolò, Guglielmo fa edificare l'Appartamento grande di Castello con le sale dedicate ai Capitani, ai Marchesi e ai Duchi Gonzaga, alle quali si accede dalla maestosa Sala di Manto. Dal 1563, Giovanni Battista Bertani edifica la chiesa palatina di Santa Barbara, ancora oggi perno visivo del palazzo, collegata sia all'Appartamento Grande di Castello, sia al corridore di Santa Barbara.