L’edificio presenta caratteristiche tipicamente ascrivibili ai moduli costruttivi del secondo Rinascimento ed ha un’architettura tipicamente emiliana.
Palazzo Pepoli non è nato nella forma e nell’organizzazione distributiva e strutturale nella quale si presenta oggi ai nostri occhi, ma è un armonico progetto architettonico risultato di profonde trasformazioni ed ampliamenti. La sua determinazione strutturale finale è frutto infatti di una serie di importanti lavori di trasformazione effettuati nel corso di oltre un secolo, tra la fine del 1500 e la fine del 1600.

Inoltre le cantine del Palazzo hanno messo in evidenza complesse strutture sotterranee in laterizio, preesistenti alla costruzione dell’edificio ed ascrivibili a interventi effettuati in diversi periodi.

Le decorazioni scultoree che lo adornano si ipotizza vennero realizzate dallo scultore e stuccatore Giovan Francesco Bezzi, il quale aveva già collaborato con l’architetto Torri per alcuni edifici a Bologna.

Uno degli elementi architettonici più importanti dell’intero edificio è rappresentato dalla scala elicoidale, esempio più riuscito di tale tipologia per il suo senso dinamico e le proporzioni. Presenta un corpo di alta plasticità architettonica e di leggerezza strutturale, pur con un’alta resa funzionale tale da garantire il collegamento tra i diversi piani. La sua base di partenza sono i sotterranei del palazzo, per poi allungarsi con il suo effetto elicoidale e quasi ipnotico, fino agli ambienti del sottotetto per un’altezza di circa 17 metri e 107 gradini in marmo rosa di Verona. Il tutto completato da una ringhiera in ferro battuto leggera e stilisticamente armonica.

Il salone d’onore caratterizzato da un maestoso soffitto a volta, decorato con cigni (emblema del casato Pepoli), angeli con trombe, putti e maschere, si oppone stilisticamente all’atmosfera dei sotterranei del Palazzo, per sfociare nella maestosità del Barocco con i suoi giochi architettonici, la plasticità delle decorazioni sospese, i cromatismi soffusi.

Situato al piano rialzato e collocato in una posizione asimmetrica rispetto all’intera struttura, era sicuramente il fulcro della vita culturale del Palazzo.

Il Salone d’onore è caratterizzato inoltre da una balaustra in legno anche questa di richiamo Barocco e dal punto di vista funzionale ha lo scopo di creare un collegamento tra le otto sale del primo piano del palazzo.

Il primo piano presenta tre sale nell’ala ovest e cinque nell’ala est differenti per stile e architettura, quasi a significarne un diverso uso. Le sale a ovest sono caratterizzate da linee più semplici e sobrie che si oppongono alle decorazioni, bassorilievi, paramenti e stucchi delle sale poste a est. La diversa funzione è testimoniata anche dai pavimenti: per quanto riguarda il salone d’onore venne realizzato il battuto alla veneziana, mentre per le altre sale, pavimento cotto a mattonelle quadrate.