Il recupero della palazzina con finalità museografiche si attuò nel 1938. Il restauro architettonico venne affidato all’ingegner Carlo Savonuzzi, la restituzione delle decorazioni e l’arredo interno a Nino Barbantini che ricreò una casa - museo nell’intento di rievocare i passati splendori del rinascimento estense. Le stanze furono arredate con mobili ed oggetti in parte ferraresi e in parte acquistati sul mercato antiquario, seguendo un criterio di ambientazione in stile che risulta ancora oggi molto efficace.
I soffitti ampiamente ornati sono della bottega dei Filippi che, nonostante le ridipinture eseguite durante i restauri dell’inizio del Novecento, rappresentano la più esplicita testimonianza ferrarese della predilezione in ambito aristocratico per la decorazione a grottesche. Essa qualifica le nobili dimore cinquecentesche che risultano aggiornate nel gusto ai dettami artistici romani scaturiti in seguito alla rivelazione della Domus Aurea, e in particolare a imitazione del fare di Raffaello nelle Logge vaticane.
A Ferrara la bottega dei Filippi era la officina più accreditata e valida a cui affidarsi per la creazione di ambienti sfarzosi in palazzi, chiese e conventi, come nella Certosa, in Castello e nel collegato Palazzo Ducale, e appunto qui alla Palazzina. Il più importante dei Filippi, Sebastiano detto il Bastianino, è riconosciuto come la personalità artistica più alta di tutto il Cinquecento estense: conobbe Marfisa, conobbe Torquato Tasso di cui è documentata la frequentazione con la principessa estense, proprio tra le mura, le logge e i pergolati che anche noi possiamo ancora percorrere.
La visita inizia dalla "Sala delle Imprese", il cui soffitto densamente decorato è istoriato con scene mitologiche e con le imprese di Francesco d’Este. Nell’ambito dell’arredo si segnalano credenze e cassoni del XV e del XVI sec. Il secondo ambiente è la "Loggetta dei Ritratti", punto di comunicazione fra le stanze interne ed il giardino, su cui si apre un loggiato a tre archi. La decorazione stesa con moduli allentati racchiude divinità propiziatrici di buona fortuna per le due bambine ritratte in due medaglioni ovali: Marfisa e Bradamante d’Este, le due uniche figlie di Don Francesco.
Segue poi la "Sala di Fetonte" così denominata dal mitico Carro del Sole, guidato da Fetonte, raffigurato nello sfondato al centro del soffitto la cui decorazione è purtroppo andata perduta; un elegante lavabo della fine XV secolo è l’elemento di spicco della sobria stanza. La “Sala dei Banchetti” è caratterizzata da un soffitto particolarmente sontuoso, con molte scene mitologiche incorniciate da festoni vegetali.Una porticina ci introduce nel cosiddetto "Studiolo" dall’importante soffitto ligneo dipinto, sobriamente arredato con mobili toscani del sec. XVI. Sopra la porta d’ingresso c’è un ritratto del duca Alfonso I.
La "Sala Grande" ha soffitto ornato con la mano sapiente e misurata ascrivibile a Sebastiano Filippi. Segue la "Sala del Camino", con al centro della parete un elegante camino della scuola dei Lombardi, eseguito nella prima metà del ‘500. Fra i mobili, si nota uno studiolo in noce di fine XVI sec. La visita termina nella "Saletta degli Armadi", che prende il nome da due imponenti armadi veneti in noce scolpito del ‘500.