Cuore della raccolta, e primo tra gli interventi compiuti nel palazzo da Giorgio Franchetti, fu la cosiddetta Cappella del Mantegna, con al centro l’immagine del San Sebastiano attorno alla quale il barone ideò un suggestivo vano architettonico, interamente rivestito di marmi. Ispirandosi a modelli veneziani (soprattutto alla chiesa di Santa Maria dei Miracoli), il vano riproduce l'atmosfera di una cappella rinascimentale, idealmente ambientata all'interno di una dimora patrizia. Sopra un vero e proprio altare è posta la tela, tra le invenzioni più drammatiche di Mantegna. L’opera, acquistata nel 1893 costituisce ancor oggi l'icona del museo, mantenendo inalterata la sistemazione voluta dal proprietario all'interno di un percorso museale che ha subito negli anni inevitabili modifiche e revisioni. Esito tardo di uno studio sul tema del martirio che Andrea Mantegna aveva già intrapreso nelle tele oggi al Kunsthistorisches Museum di Vienna e al Louvre, il dipinto di Ca’ d’Oro affronta la rappresentazione dell’eroe cristiano in termini nuovi e per certi versi sconcertanti, di tragico isolamento individuale. Il santo, trafitto da sedici frecce, che lo avvolgono in una sorta di spinosa gabbia tridimensionale, si erge dolente al centro di una nicchia angusta, inquadrato da una cornice in finto marmo. In basso, sulla destra, un cartiglio avvolto attorno all’immagine emblematica della candela spenta che ancora lascia spirare un esile filo di fumo, reca la scritta Nihil nisi divinum stabile est coetera fumus (nulla, all’infuori del divino, è stabile, tutto il resto è fumo), a sottolineare la fragilità della natura umana.

Poco si sa dell'originaria ubicazione del Doppio ritratto, primo esempio di questo tipo di ritratto nella scultura italiana del Quattrocento L'origine è senza dubbio da ricercare nell'arte classica. Infatti anche Mantegna nell'affresco con San Cristoforo nella chiesa degli Eremitani a Padova riproduce doppi ritratti ripresi da stele funerarie romane. Ma qui l'autore riesce a creare qualcosa di completamente nuovo: un'opera intrisa di spirito antico ma assolutamente moderna, senza reali precedenti nell'antichità stessa, un equilibrio perfetto tra la definizione realistica e la idealizzazione dell'individuo. I personaggi raffigurati, forse ritratti reali, forse figure allegoriche, sono ripresi nel momento in cui stanno parlando o cantando, con le labbra dischiuse e gli sguardi volti in direzioni diverse. I capelli, il modellato dei volti, la veste decorata della figura femminile, il fiore tra i seni, ogni particolare è resto in maniera squisita, con estrema raffinatezza e delicatezza.
Sotto la figura maschile è ben visibile la firma dell'autore in capitale romana, quasi a suggerire che la destinazione originaria fosse una posizione rialzata, da consentirne agevolmente le lettura. 

Nella lunetta in marmo di Carrara la Madonna e il Bambino sono colti in un dolcissimo atteggiamento affettuoso, sotto un arco ornato da due angeli alati. In origine l'opera si trovava nella Chiesa delle Zitelle alla Giudecca dove faceva parte della decorazione dell’altare maggiore. Nelle figure centrali del rilievo la personalità colta e aggiornata dello scultore fiorentino si esprime in una scena di toccante intimità che vede la Madre raffigurata nell'atto di sostenere il fanciullo, sorreggendone la schiena con la mano destra, per ricambiare il bacio che il Bambino le offre con grande naturalezza. Nello slancio umanissimo e intimo che unisce  i due protagonisti la mano sinistra della vergine allontana da sé il libro chiuso, quasi a voler allontanare dal figlio la sorte già stabilita. La posa classica dei due angeli sovrastanti, languidamente appoggiati sul cornicione, sottolinea la vitalità della scena sottostante.
la raffinata conduzione dei panneggi, l'impianto monumentale e l'equilibrio calibrato della composizione, così come la resa morbida delle anatomie, tradiscono una conoscenza diretta dell'arte di Michelangelo, accostata dall'artista nei suoi soggiorni romani antecedenti al trasferimento a Venezia nel 1527.

La Crocifissione di Jan Van Eyck, uno dei dipinti più importanti della collezione già appartenuta al barone Giorgio Franchetti. La piccola tavola realizzata nell'ambito della bottega di Van Eyck, sotto la supervisione del Maestro, fu probabilmente tratta da uno dei disegni originali grande artista. La piena autografia dell'opera è ancor oggi oggetto di discussione e studi. Le piccole dimensioni esaltano straordinariamente il talento miniaturistico del pittore fiammingo e dei suoi stretti collaboratori. Il Crocifisso è perfettamente centrale alla scena. In basso la Madre e San Giovanni Evangelista presentati nel più profondo dolore, ma composti, e non pervasi dalla disperazione come il gruppo di donne alle spalle della Vergine. Sullo sfondo è rappresentata fin nel minimo dettaglio la città idealizzata di Gerusalemme. Sulla destra è raffigurato un gruppo di cavalieri che, indifferenti, stanno lasciando il luogo dell’esecuzione per tornare tra le mura della città. La ‘Gerusalemme ideale’ di Van Eyck ha una straordinaria somiglianza con Sana’a, la capitale dello Yemen. Incredibilmente anche Sana’a è cinta da mura con le stesse tipiche case-torri, ed è divisa in tre quartieri (arabo, turco ed ebreo). Non si può escludere che il maestro fiammingo si sia ispirato a disegni della città yemenita provenienti lungo le vie commerciali da e per l’Oriente.