El Palacio Ducal se extiende sobre tres alas en torno a los lados de un amplio patio central porticado, cuyo cuarto lado está constituido por el cuerpo de la basílica marciana, antigua capilla del palacio.
Toda la construcción se apoya, como ocurre en la mayoría de los edificios venecianos, sobre una plataforma hecha con troncos de alerce, que a su vez sostiene una importante losa en piedra de Istria. Las fachadas principales, frente a la Plaza de San Marcos y frente a la laguna, tienen dimensiones parecidas, dado que la que se encuentra frente a la laguna tiene 71,5 metros de largo y 17 arcadas, mientras que la de la piazzetta, con una arcada más, mide 75 metros. Una tercera fachada se asoma a un canal conocido como rio di Palazzo, que atraviesa el Ponte dei Sospiri (Puente de los Suspiros) y que desemboca en la laguna en el Ponte della Paglia (Puente de la Paja).
Las dos fachadas principales del edificio, de estilo gótico-veneciano, que se asoman a la piazzetta y al muelle, se desarrollan sobre dos niveles de columnatas en las que descansa un poderoso cuerpo con incrustaciones de mármol rojo y blanco en el que se abren grandes ventanas ojivales, con un monumental balcón central ricamente decorado, y con un coronamiento donde se alternan pequeños pináculos y antas caladas en sustitución de la cornisa tradicional. En conjunto, la decoración presenta una clara referencia a los estilos arquitectónicos orientales y, en menor medida, al germánico, derivado en gran parte del elevado número de contactos culturales y comerciales que tuvo Venecia con otros pueblos mediterráneos y europeos y la consiguiente importación de materiales de aquellas tierras.
Entre los dos niveles de logias y la pared por encima de estas, hay una moldura continua que divide la fachada en dos secciones de la misma altura. La elegante galería de la primera planta, sustentada por las arcadas que se encuentran al nivel del suelo, está formada por columnas y arcos ojivales trilobulados entre los cuales hay círculos con cuadrilóbulos inscritos en su interior, delimitada por la balaustrada y decorada con capiteles finamente esculpidos.
El soportal en planta baja, con arcos ojivales y columnas sin basamento; este pórtico antiguamente no estaba tapiado, de forma que por todas partes se hallaban abiertas las comunicaciones y las columnas descansaban sobre su pedestales; pero las frecuentes inundaciones obligaron a elevar el suelo de la plaza, y los pedestales quedaron enterrados, lo que hace un mal efecto para el cuerpo del edificio.
Como causa del aspecto rebajado de las arcadas en la planta baja, se ha aducido el hecho de haber sido elevado el nivel del suelo; un error como han demostrado los análisis realizados por Angelo Zendrini y Giannantonio Selva, que han permitido comprender que este elevamiento haya sido de muy pocos centímetros.