[2]​ El palacio pasó a ser propiedad de la familia Médici cuando el cardenal Giovanni de' Medici, hijo de Lorenzo el Magnífico y futuro papa León X, que antes habitaba allí en alquiler, lo compró a plazos en 1505,[3]​ encargando una importante remodelación a Giuliano da Sangallo.

En el siglo XVII se realizaron más obras de remodelación: una fachada barroca, proyectada por Paolo Maruscelli y finalizada en 1642, sustituyó al precedente frontón asimétrico.

El interior se enriqueció con techos decorados y frisos bajo la dirección del toscano Romano Monanni.

A pesar de la ampliación y el embellecimiento, los Médici no volvieron a habitar el palacio hasta 1725, cuando pasó a residir aquí Violante Beatriz de Baviera, cuñada del gran duque Juan Gastón de Médici, que residió allí hasta su muerte.

En los años posteriores se instalaron allí, entre otros, las oficinas del tribunal y la sede de la policía.

Fue quizá por este uso administrativo, más que por una vuelta a la siempre persistente vocación francófila (el palacio seguía en la manzana de San Luigi dei Francesi, núcleo del suelo poseído originalmente por los abades de Farfa), por lo que el Palazzo Madama albergó la oficina central de la República Romana entre 1798 y 1799.

Entre el siglo XIX y los primeros veinte años del siglo XX, la pequeña iglesia de San Salvatore in Thermis, que databa del siglo VI,[13]​ y se situaba en la calle a la izquierda del palacio, fue primero cerrada, expropiada y posteriormente demolida por razones de seguridad: la policía creía que era posible servirse de ella para realizar un eventual atentado contra el Senado.

[14]​ Algunos de los frescos contenidos en ella fueron incorporados al palacio, que a finales del siglo XIX se enriqueció también con otros contenidos artísticos, como en el caso de la sala decorada con frescos por Cesare Maccari.

Este último, propiedad del Senado, fue reconstruido completamente en posición avanzada respecto a la original.

[15]​ El Palazzo Madama se caracteriza por una planta irregular, semejante a un pentágono con lados de longitudes muy diferentes.

Detrás de la ubicación del Presidente del Senado hay dos inscripciones sobre dos placas rectangulares: una cita la forma de gobierno vigente actualmente en Italia, es decir, la república; la otra es mucho más antigua y reproduce las palabras con las que Víctor Manuel II conmemoró la unificación italiana.

En las paredes están representados cinco episodios célebres del antiguo Senado romano.

Catilina, abandonado por todos, sentado en su escaño en el primer plano del cuadro, inclina la cabeza y aprieta su pierna derecha con las manos.

En el imaginario popular la historia de las dos mujeres (que han vivido en el arco de dos siglos) cuyos sobrenombres han valido a dar nombre al Palazzo Madama se entrelaza y confunde, pero la confusión tiene el riesgo de acentuarse si se considera la cuestión en perspectiva diacrónica, cuando emergen incluso una tercera y una cuarta.