Il palazzo fu riedificato in almeno tre momenti nel corso della prima metà dell'Ottocento utilizzando la precedente struttura cinquecentesca e dotandolo di gusto neoclassico. Una prima fase di lavori è attribuibile ai fratelli Antonio e Luigi Basiletti, tra il 1810 e il 1814, mentre le trasformazioni radicali del 1824 - 1829 e del 1834 - 1840 sono opera dell'architetto Rodolfo Vantini.
La facciata si presenta, come molti altri edifici di Brescia, in pietra bianca di Botticino, materiale utilizzato dal Vantini anche per rinnovare il cortile interno e alcune sale interne del palazzo, mentre il portico ad archi, l'interno al sesto piano e qualche sala del pian terreno hanno mantenuto lo stile originario del Cinquecento. Nel sottosuolo si sono voluti mantenere resti romani di un impianto termale, mentre nel cortile interno è posta una fontana raffigurante Naiade, opera di Gaetano Monti.
Un tempo utilizzato come pinacoteca e biblioteca privata, conteneva opere di Raffaello Sanzio e altri artisti italiani e stranieri oltre che oggetti prelevati da chiese o edifici distrutti, poi trasferiti nel 1908 a palazzo Martinengo da Barco, donato dal conte Leopardo al comune di Brescia nel 1884. Nasce così la pinacoteca Tosio Martinengo.
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