L’attuale aspetto di Palazzo Reale, dimora delle dinastie che hanno governato Pisa dall’età moderna, è frutto dell’intervento architettonico voluto alla fine del XVI secolo da Francesco I de’ Medici. Questi decise di abbandonare il “Palazzo Vecchio” adiacente alla chiesa di S. Matteo per acquistare terreni e caseggiati compresi tra via S. Maria, la chiesa di S. Nicola e l’Arno. Il nuovo palazzo fu costituito da unico edificio con facciata sul Lungarno. Tra le abitazioni pre-esistenti fu risparmiata la torre della Vergadoro, dalla quale si dice che Galileo avesse mostrato il firmamento ai Granduchi con il suo cannocchiale.
Oggi Palazzo Reale, oltre ad essere sede della Soprintendenza ai Beni Artistici, Paesaggistici e Demoetnoantropologici, ospita la collezione del relativo Museo Nazionale, istituito nel 1989.
Alla raccolta degli antichi armamenti del Gioco del Ponte, spettacolo cittadino di tradizione medievale che si svolge ancora ogni anno sull’attuale Ponte di Mezzo, si assommano numerosi ritratti medicei e lorenesi, alcuni realizzati da grandi artisti quali Bronzino e Tempesti. Vi sono inoltre esposti arazzi di pregevole fattura e arredi di grande raffinatezza appartenuti ai Medici, ai Lorena e ai Savoia.
Importanti raccolte, frutto di doni ed acquisizioni, accrescono il museo per sezioni specifiche: il lascito Ceci, ad esempio, permette la fruizione di un congruo gruppo di quadri fiamminghi e italiani (XVI-XVIII secolo), di mobili antichi e di preziose ceramiche di produzione italiana ed inglese. Vi trovano sede anche una ricca gipsoteca e i dipinti di Italo Griselli, tra i maggiori scultori-ritrattisti italiani della prima metà del Novecento. 

Il museo infine è sede di rilevanti esposizioni temporanee.