Il palazzo dell’Archiginnasio fu costruito fra il 1562 ed il 1563 per volere del Legato pontificio di Bologna, il cardinale Carlo Borromeo e del Vicelegato Pier Donato Cesi, su progetto dell’architetto bolognese Antonio Morandi detto Terribilia. Lo scopo dell’operazione, maturata nel clima culturale del Concilio di Trento, era quello di dare una sede unitaria all’insegnamento universitario fino allora disperso in varie sedi.

All’inizio degli anni Sessanta del XVI secolo, per ridare prestigio all’Università bolognese, cui facevano concorrenza le nuove università italiane e straniere, il pontefice Pio IV ne decise una completa riorganizzazione e concentrò in un’unica sede le scuole dei Giuristi (diritto civile e canonico) e degli Artisti (filosofia, medicina, matematiche, scienze fisiche e naturali), fino ad allora ospitate in diversi luoghi della città.

Il cortile a doppio loggiato, vero fulcro dell'edificio, risente dell'influenza dell'architettura dei collegi universitari, di cui a Bologna quello di Spagna rappresenta il prototipo, e ricorda i cortili dei palazzi nobiliari cittadini dove si svolgevano sontuose cerimonie anche di carattere pubblico.

Al piano terra alcune antiche sale, destinate ai professori e ai bidelli, sono ora occupate dalla Società Medica Chirurgica e dall’Accademia dell’Agricoltura. Al centro, nel lato orientale del cortile, davanti al portone d’ingresso, si trova la Cappella di S. Maria dei Bulgari, il cui nome ricorda quello di una chiesa che sorgeva “in curia Bulgari”, cioè presso le case del celebre giurista Bulgaro (XII secolo).

Gli ambienti interni del palazzo e i due ampi scaloni che collegano il cortile al piano superiore sono suddivisi fra le due distinte universitates dei Legisti e degli Artisti.

Al primo piano del palazzo si trovano la Biblioteca e le Sale storiche, il Teatro anatomico e la Sala dello Stabat Mater oltre a numerosi stemmi e memorie.

La sala, chiamata Teatro per la caratteristica forma ad anfiteatro, fu progettata nel 1637 per le lezioni anatomiche dall'architetto bolognese Antonio Paolucci detto il Levanti, scolaro dei Carracci.

La ricchissima decorazione dell’Archiginnasio costituisce il maggior complesso araldico murale esistente, ed ha suscitato l’ammirazione di visitatori e studiosi di tutti i tempi. 

Al piano superiore le dieci aule scolastiche (oggi intercomunicanti, ma un tempo con accesso indipendente dal loggiato) sono fiancheggiate da due aule magne: una per gli Artisti, oggi Sala di lettura della biblioteca, e una per i Legisti, oggi detta Sala dello Stabat Mater in memoria della prima esecuzione, tenutavi il 18 marzo 1842, dello Stabat Mater di Gioachino Rossini, sotto la direzione di Gaetano Donizetti.

La nascita della Biblioteca Comunale risale al 1801 per opera del Dipartimento del Reno. La Biblioteca raccoglie il patrimonio librario delle congregazioni religiose disciolte dai provvedimenti del periodo napoleonico (1797-1798) e dal Regno d'Italia (1866).

Le antiche aule scolastiche, oggi trasformate in depositi librari, si susseguono per tutta la lunghezza della fronte del palazzo. Le pareti sono ornate da stemmi e monumenti che celebrano le figure di maggior rilievo nella storia dello Studio. 

Nella Sala ‪‎Reference‬, sopra la porta che comunica con il Museo Archeologico, si può ammirare il frammento La ‪‎Caduta di Fetonte‬ di Ludovico Carracci, parte di un affresco strappato nel 1861 da un soffitto di Palazzo Montecalvi.