El actual aspecto del Palacio Real, morada de las dinastías que han gobernado Pisa desde la época moderna, es fruto de la intervención arquitectónica por voluntad de Francisco I de Medici a finales del siglo XVI. Este decidió abandonar el “Palacio Viejo” adyacente a la Iglesia de San Mateo para comprar terrenos y manzanas de casas comprendidos entre Via S. Maria, la Iglesia de San Nicolás y el río Arno. El nuevo palacio estaba formado por un único edificio con la fachada asomada a las orillas del río. Entre los ambientes preexistentes se conservó la torre della Vergadoro, desde la cual se dice que Galileo mostró el firmamento a los grandes duques con su catalejo.
Actualmente el Palacio Real, además de ser sede de la Dirección General de Bienes Artísticos y Culturales, alberga la colección del Museo Nacional, instituido en 1989.
A la colección de los antiguos armamentos del Gioco del Ponte, un espectáculo ciudadano de tradición medieval y que sigue celebrándose cada año en el actual Puente del Medio, se suman numerosos retratos de los Medici y de los Lorena, algunos realizados por grandes artistas, como Bronzino y Tempesti. También hay expuestos tapices de valiosa factura y decoraciones de gran refinamiento pertenecientes a los Medici, a los Lorena y a los Saboya.
Importantes colecciones, fruto de donaciones y adquisiciones, acrecientan el museo por secciones específicas. El legado Ceci, por ejemplo, permite disfrutar de un congruo grupo de cuadros flamencos e italianos (siglos XVI-XVIII), de muebles antiguos y de preciosas cerámicas de producción italiana e inglesa. También cuenta con una rica gipsoteca y los cuadros de Italo Griselli, uno de los escultores retratistas italianos más importantes de la primera mitad del siglo XX.
El museo también alberga importantes exposiciones temporales.