Il Palazzo Ducale risulta dalla trasformazione di un precedente castello medievale che, documentato poco prima dell'anno Mille, fu dimora dei signori della Rosa e dei Pio di Savoia prima di passare definitivamente agli Este nel 1599.
Residenza principesca fra le più splendide e significative della cultura barocca del Nord Italia, fu realizzata a partire dal 1634 per volontà di Francesco I, secondo i progetti di Bartolomeo Avanzini e di Gaspare Vigarani, trasformando la preesistente rocca medievale.

La trasparente architettura dell'atrio istituisce un rapporto atmosferico tra la lunga facciata e il grande cortile, sulla cui parete di fondo si accampa la fontana della Divinità marina con delfino, eseguita sulla base di disegni di Gian Lorenzo Bernini.
Dall'atrio, in un gioco di trasparenze e di luci d'impronta scenografica, si risale lo splendido scalone a forbice e si raggiungono gli appartamenti al piano nobile.
Qui, s'impone per grandiosità il Salone delle Guardie, affrescato fra il 1646 e il '48 da Angelo Michele Colonna e Agostino Mitelli con la tecnica della quadratura prospettica: illusionistica restituzione di elementi architettonici e di fittizie dimensioni spaziali tramite la pittura.

Attorno al Salone si  articolano gli Appartamenti del duca e della duchessa, con cicli decorativi che vedono protagonista Jean Boulanger, pittore di corte già allievo di Guido Reni. Di sala in sala egli svolge un complesso programma iconografico elaborato dai letterati di corte Girolamo Graziani e Nicolò Musso, attingendo alla mitologia, alla Bibbia, ai poemi cavallereschi, alle fonti storiografiche, volto all'edificazione morale e soprattutto alla celebrazione delle virtù della Casa d'Este. Emerge la superba Galleria di Bacco, affrescata dal 1650 al '52, dove Boulanger è affiancato da Gian Giacomo Monti e Baldassarre Bianchi, tra i massimi esponenti della "quadratura" bolognese, da Pier Francesco e Carlo Cittadini e Olivier Dauphin. Splendente di marmi preziosi, di dorature e degli stucchi di Luca Colombi, Giovanni Lazzoni e Lattanzio Maschio è l'Appartamento stuccato. Infine, il Giardino segreto dei duchi, ricavato nel tratto settentrionale delle antiche mura castellane.

Il risultato rappresentò una delle massime fonti d'ispirazione per il barocco emiliano. Di particolare originalità è la soluzione adottata per le antiche torri castellane, che furono tagliate appena sopra la scarpa ricavandone  quattro terrazze belvedere.

Di grande interesse lo Scalone d'Onore completato verso  il 1650, che, caratterizzato da sfondati architettonici (opera del Colonna e del Mitelli) e da finestre, creò un importante precedente per l'intera storia architettonica della regione.

Nel corso del XVIII secolo il palazzo subì delle trasformazioni a opera dell'architetto veneziano Pietro Bezzi e dell'architetto ducale Pietro Termanini. Nel 1796, con l'invasione francese del Ducato, iniziò un periodo di declino del palazzo che passò in mano a privati, per lo più stranieri finché nel 1941 divenne proprietà dello Stato e fu affidato all'Accademia Militare di Modena.

Danneggiato durante il secondo conflitto mondiale è stato riaperto al pubblico dopo una lunga opera di restauro. Attualmente è in consegna al Ministero per i Beni e le Attività Culturali - Soprintendenza per il Patrimonio Storico, Artistico ed Etnoantropologico ed è sede di attività culturali e museali. Gli ultimi restauri hanno permesso di ritrovare le testimonianze sorprendenti del grande palazzo castellano, prima della trasformazione barocca, che fu di Borso e di Ercole I d'Este e poi, nel corso del Cinquecento, della famiglia dei Pio di Savoia.

Il percorso di visita comprende: l'Atrio, lo Scalone d'Onore, la Galleria di Bacco, i saloni e gli appartamenti decorati del Piano Nobile, l'Appartamento dei Giganti, l'Appartamento d'Orlando, la Sala Mochetti e il Cortile d'Onore. All'interno dell'Appartamento Stuccato è visitabile la mostra d'arte contemporanea Monochromatic Light: 51 installazioni e dipinti appositamente creati, su commissione del collezionista e mecenate conte Panza di Biumo, per il Palazzo di Sassuolo e da lui donati nel 2004 al Ministero per i Beni e le Attività Culturali.

Con la trasformazione dell'antica rocca di Sassuolo, già dei Pio di Savoia, in Palazzo Ducale, il duca Francesco I d'Este intendeva dotarsi di una sontuosa residenza di villeggiatura, destinata a divenire elegante scenografia alla vita di corte durante i mesi estivi. Anche se su scala grandiosa e benché a contatto con il piccolo centro abitato, quindi, il Palazzo Ducale di Sassuolo veniva ad assolvere le funzioni di ameno luogo di riposo e di svago, similmente ad una vera e propria villa, e come tale era dotato di un grande parco aperto sulla campagna circostante della valle del Secchia.

La creazione di questa reggia estiva comportò episodi la riqualificazione dello stesso insediamento sassolese e il sorgere, sulle colline della vicina Fiorano, di numerose ville ove risiedeva la corte durante la villeggiatura ducale.

Peschiera, o "Fontanazzo"

Accanto al Palazzo, sul versante meridionale del piazzale antistante, prossimo all'amplissimo Parco ducale, sorge la Peschiera o "Fontanazzo", architettura "a grottesca" progettata da Gaspare Vigarani verso la metà del Seicento. Attorno al grande invaso rettangolare presenta un'articolata scenografia ripartita in tre ordini e ornata da statue, grotte, nicchie, mosaici, stucchi, fontane e balconate, "teatro d'acqua" fra grotte e rocce artificiali, un tempo alimentato dal Canale di Modena; sullo sfondo s'innalza un'alta quinta a forma di montagna, sormontata dall'aquila simbolo della casata estense. Raro e suggestivo esempio di apparato scenografico effimero pietrificato, è tipica espressione della poetica barocca, a metà tra la natura pietrificata e la costruzione andata in rovina.

Il Parco Ducale

Originariamente si estendeva per ben 10 chilometri di lunghezza. Oggi, dopo la devastante lottizzazione degli anni '60, rimane un'area più ridotta, ancora attraversata dal rettilineo che conduceva dall'ala meridionale del Palazzo Ducale alla Palazzina estense del Belvedere, settecentesca coffee house ora di proprietà privata. È collegato al Percorso Natura sul fiume Secchia mediante una ciclabile su via Indipendenza, e al Parco Vistarino attraverso un passaggio pedonale (costituito da una scalinata e da un'area alberata) che porta in piazzale Porrino.