Do lado esquerdo do pátio, uma porta leva à antiga Câmara de Armas, outrora usada como depósito de armas e munições e actualmente utilizada para exposições temporárias e eventos especiais. Construída em 1312, é a única sala do palácio que conserva a sua estrutura original, com abóbadas de cruzaria de tijolos nervurados e pilares de pietraforte.
O segundo pátio, também conhecido como Pátio da Alfândega, possui pilares maciços construídos em 1494, para sustentar o Salão do Cinquecento no segundo andar. Em frente à entrada deste salão, foi recentemente instalado o cata-vento original da torre: tem a forma de um Marzocco com o lírio-de-Florença em ferro. Colocado no topo da torre em 1493, foi substituído em 1981 por uma cópia em fibra de vidro.
Entre o primeiro e o segundo pátio encontra-se uma imponente e monumental escadaria, projectada por Vasari, que conduz ao Salão dos Quinhentos.
No Primeiro andar, o Salão dos Quinhentos, foi construído em 1494 por Simone del Pollaiolo, e tem um comprimento de 54  por 23 metros de largura.
Nas paredes foram realizados grandes afrescos, que descrevem as batalhas e os sucessos militares de Florença sobre Pisa e Siena.
O tecto com 39 painéis foi construído e pintado por Vasari e artistas da sua oficina. Representa "Importantes episódios da vida de Cosme I", os bairros da cidade e a própria cidade. Ao centro encontra-se em apoteose a Cena de glorificação como Grão-Duque de Florença e da Toscânia.
No nicho central (parte sul da sala) encontra-se o famoso grupo marmóreo de Michelangelo intitulado Il genio della Vittoria, 1533-1534, originariamente preparado para o túmulo do Papa Júlio II.
As seis estátuas colocadas ao longo das paredes representam os Trabalhos de Hércules. São obra de Vincenzo de Rossi.
No final do corredor, foi criada uma pequena sala lateral sem janelas: o Studiolo ou Estúdio de Francesco I de Medici.

O segundo andar contém o Quartiere degli Elementi, uma zona privada de Cosme I dedicada aos elementos Ar, Água, Terra e Fogo, e o Apartamento de Leonor (Quartiere di Eleonora), em tempos habitado por Leonor de Toledo (duquesa de Florença, esposa de Cosme I da Toscana).

O terceiro pátio, chamado Pátio Novo (Cortile nuovo), foi efectuado por Bartolomeo Ammanati e Bernardo Buontalenti como conclusão da ampliação em direcção à Via (=Rua) dei Gondi e à Via dei Leoni. É aberto, sem arcos, e tem vista principalmente para os escritórios municipais. A escadaria que aqui começa leva ao gabinete do Presidente da Câmara Municipal.