Costituisce l'esordio di Giulio Romano come architetto. La facciata presenta una campitura in cinque parti, delle quali la centrale contrassegnata da un portale timpanato, mentre ai lati si aprono quattro botteghe sormontate da poderose raggiere bugnate che conferiscono un notevole slancio verticale all’insieme. La tensione del bugnato sembra ricomposta nella compostezza degli elementi architettonici del piano nobile, fino a farsi puro elemento ritmico nell’ordine lineare del secondo piano. Nel cortile l’articolazione è affidata al bugnato liscio del livello terreno e agli ordini sovrapposti dell'altissima loggia trabeata che corrisponde al lato di facciata. Anche in questo caso il linguaggio degli ordini appare riletto in chiave astrattizzante da Giulio Romano. Recenti restauri hanno permesso di riportare alla luce la decorazione a finte finestre nella volta della sala Azzurra e gli affreschi originari della saletta al pianterreno, il cui soffitto a grottesche e pergolati vitinei è dominato dallo stemma degli Stati, primi proprietari del palazzo. Le sale del piano nobile custodiscono pregevoli affreschi cinquecenteschi realizzati da artisti della cerchia di Raffaello. Nella sala di minori dimensioni sono affrescate le scene degli Amorosi diletti degli Dei, un tòpos iconografico di grande fortuna, mentre nella seconda sala corre un fregio continuo, organizzato in finti quadri intervallati da putti e cariatidi femminili, nei quali sono raffigurati episodi della vita di Giulio Cesare.

Attualmente, a Palazzo Cenci sono ubicati gli uffici della 14a Commissione permanente - Politiche dell’Unione europea, studi di senatori e uffici dell’Amministrazione, in uno spirito di conservazione del tessuto polifunzionale che appartiene alla natura storica dell’edificio