Gli interni conservano intatto il fascino originario. Nella sequenza delle sale il visitatore vive le emozioni che Giulio gli ha riservato, in un percorso ove si alternano misura classica e soluzioni inattese, affreschi e stucchi, minute narrazioni e gigantesche scenografie. La camera delle Metamorfosi ripropone, nelle partizioni di finti marmi politi e variegati, scenette mitologiche e paesaggi all’antica; nella successiva camera, le “imprese” tradizionali di casa Gonzaga e quelle personali di Federico scandiscono il fregio con icone e motti emblematici. Nella saletta del Sole e della Luna, i carri delle divinità Apollo e Diana si inseguono nel cielo, in uno scorcio ardito, a significare l’avvicendarsi del giorno e delle notte e il rapido scorrere del tempo. I medaglioni a stucco della volta, entro una trama di losanghe digradanti, offrono un forbito repertorio di motivi classici.
La loggia delle Muse dispiega figurazioni allusive alla cultura degli antichi, dai greci, agli egizi, a Virgilio, vate mantovano della poesia latina. La loggia immette nella grande sala dei Cavalli, ove spiccano, sulle finte architetture delle pareti, i ritratti al naturale dei destrieri favoriti del principe. Nella camera di Amore e Psiche rivivono nelle invenzioni di Giulio celebri miti amorosi dell’antichità, dalla favola che dà il nome all’ambiente, tratta da Apuleio, a Venere e Marte, Bacco e Arianna, Giove e Olimpiade, Aci e Galatea, Pasifae. I festosi preparativi di un banchetto sull’isola di Venere, ricchi di fantasiose figurazioni, sono dipinti su due pareti contigue. Le successive camere dei Venti e delle Aquile erano adibite a uso privato di Federico, quando questi soggiornava nella villa. La prima illustra le diverse sorti che le stelle riservano agli uomini, con ricchezza di ornati e sottigliezza di concetti; la seconda è impreziosita da affreschi di soggetto classico e da fregi di stucco eseguiti dal Primaticcio, collaboratore di Giulio.
La grande loggia di Davide si apre sulle peschiere, con gli archi retti da gruppi tetrastili, in direzione del giardino e della scenografica esedra. La volta e le lunette accolgono episodi del personaggio biblico, in cui il committente si vuole identificare, per il valore nelle armi, l’amore per la musica e la passione per la bella Betsabea, moglie di Uria: l’amore più grande di Federico è per Isabella Boschetti, sposa di un nobile cortigiano. I successivi ambienti che si affacciano sulle peschiere sono illustrati non più con temi d’amore, ma con soggetti edificanti, o pertinenti alla gloria militare, tratti dalla storia antica. Giulio celebra l’ideale di un principe che nell’“ozio” privato trova consolazione nell’arte e nell’amore, ma che elegge a modello del comportamento pubblico la virtù degli antichi condottieri. Nella camera degli Stucchi è raffigurato, con precisione filologica e sorprendente varietà di motivi, un esercito romano in marcia. La camera dell’Imperatore illustra episodi di magnanimità che hanno per protagonisti Alessandro Magno, Scipione e Giulio Cesare; il rigore formale e la misura classica che presiedono alla decorazione di questi ambienti preludono, per contrasto, alla sconvolgente messinscena della camera dei Giganti. È questa la creazione più celebre di Giulio Romano, sulla quale già si dilunga l’ammirato commento del Vasari. Sulle pareti e sulla volta è dipinto il mito dei giganti che assaltano l’Olimpo. Giove, chiamati a raccolta tutti gli dei, scatena sui ribelli la furia degli elementi e scaglia con ira implacabile i fulmini devastanti: i giganti, puniti per l’atto di inaudita superbia, cadono travolti dalle rocce e dagli edifici che crollano, contro uno sfondo di lividi paesaggi. Lo spettatore si trova al centro della composizione, completamente circondato dall’incalzare degli eventi, e diviene testimone, quasi attore del dramma, che allude alla giusta punizione per chi attenti alla potestà sovrana.Temi eroici tratti dal repertorio antico sono presenti anche nto del Giardino Segreto, accanto a festose e stravaganti grottesche, alle fiabe di Esopo e a una misteriosa narrazione che adombra la vicenda della vita umana. Una elegante loggetta si apre nel piccolo giardino chiuso da mura, completato più tardi (fine XVI secolo) da una grotta artificiale ombrosa e fresca, evocante i ninfei classici e ornata da esoterici emblemi alchemici. L’itinerario di visita prosegue al piano superiore del palazzo.