Il Palazzo ducale viene costruito su decisione di Obizzo II d’Este, duca di Ferrara, quando, nel 1288, viene chiamato alla Signoria di Modena. Nel XIV secolo è distrutto e ricostruito. L’edificio è modellato sul tipo di quello di Ferrara, con quattro torri agli angoli, due cortili comunicanti tra loro e un terzo che si spingeva verso Canal Grande. Lo circonda un doppio ordine di mura merlate ed è fornito di più ingressi protetti da ponti levatoi. Era un edificio tozzo e massiccio, privo di ogni ornamentazione esterna. Nel fossato intorno al castello si immettevano tutti i canali che attraversavano la città.

Nel 1598 il duca Cesare trasferisce la residenza degli estensi da Ferrara a Modena, ora Capitale di Stato. Da quel momento e per tre secoli, il palazzo vive continui lavori di ampliamento, abbellimento e ristrutturazione.

Risale al 1798, all’epoca della Repubblica Cisalpina, l’istituzione, al suo interno, della Scuola militare per l’Artiglieria e per il Genio, rivolta a studenti dagli 11 ai 17 anni. Dal 1863, dopo l’annessione di Modena al Regno d’Italia, ospita gli allievi della Scuola militare di Fanteria.

Dopo l’8 settembre 1943, l’Accademia viene sciolta e il Palazzo ducale è occupato dai tedeschi, che dal 25 settembre vi collocano il Platzkommandantur I (il Comando del presidio militare tedesco della provincia di Modena); dal 12 dicembre dello stesso anno vi ha sede anche il Comando militare provinciale dell’Esercito italiano. Nell’autunno del 1944 vi si stabilisce anche l’Ufficio politico investigativo (Upi) della Gnr e nelle sue carceri, collocate nel sottotetto (da qui il nome di “quota pipistrello”), vengono torturati i partigiani e i civili catturati. È tuttavia colpito dal bombardamento aereo del 13 maggio 1944 e subisce i danni e le spoliazioni conseguenti all’occupazione militare tedesca e, nell’immediato dopoguerra, all’utilizzazione per ospitare famiglie di sfollati.

Non a caso, il 22 aprile 1945, nel corso della battaglia per la liberazione di Modena, le forze partigiane si concentrano proprio attorno a Palazzo ducale, stringendolo d’assedio e costringendo alla resa i reparti tedeschi lì di stanza.

Nel 1947 è sede dell’Accademia militare di Modena.