El acceso a Palacio se realiza por un amplio atrio techado que se levanta un piso en relación al nivel de la calle, con vista hacia la Plaza Grande. El amplio corredor está decorado por la histórica columnata de piedra añadida por el barón de Carondelet alrededor de 1800.

Entre las columnas, formando pequeños balcones, hay una serie de de hermosas barandas de hierro forjado que provienen de la ruinas del Palacio de Las Tullerías, destruido durante la Comuna de París de 1861. Las mismas fueron puestas en venta al año siguiente y compradas por el representante ecuatoriano en Francia, Antonio Flores Jijón, por orden de la entonces emperatriz María Teresa. 

En el atrio se exhiben varias placas que recuerdan hechos históricos acaecidos en el edificio, como las visitas del Libertador Simón Bolívar, el centenario de la Batalla del Pichincha, la visita del Papa Juan Pablo II, entre otros. La más antigua de todas proviene de la colonia y destaca en español antiguo que, en 1612, se instaló en el Palacio la Real la Audiencia de Quito.

Un gran vestíbulo da acceso al Palacio desde los dos portones de madera de teca que sirven como ingreso desde el atrio. Dos granaderos de la Guardia de Palacio, armados con sendas lanzas, custodian el acceso principal del portón del norte, mientras que el portón sur permanece cerrado.

En este espacio se encuentra un gran escudo del Reino de Quito fabricado en bronce, que cuelga de la pared oriental. Dos grandes lámparas penden del techo, también de hierro y fabricadas en Guayaquil por la firma Rendón Escalante en 1854.

El piso del vestíbulo es de piedra gris andina, conocida como andesita. Tres arcos guardados por puertas de hierro forjado, elaboradas por artesanos de Cayambe en 1820, se abren para recibir a los visitantes ilustres; estos dan acceso al corredor del entrepatio, desde donde se accede a la Escalera de Honor.

Fue construida durante los trabajos de reedificación del Palacio que emprendieron los entonces príncipes herederos, María Teresa y Leopoldo para poder habitarlo, en el año 1852. Al igual que el resto de los interiores del edificio, se inspiró en el estilo francés imperante de la época.

Se trata de una escalera que asciende en tres cuerpos que, y al llegar al siguiente piso, termina cerrando un rectángulo visual. La estructura es de mampostería de ladrillo y hierro, diseñada para soportar el más alto tráfico que pudiese tener. Los escalones fueron revestidos con mármol blanco argentino y el piso, con patrón de tablero de ajedrez, con cerámica de la fábrica Río Guayas (Guayaquil).

Entre la decoración de la sala en la que se encuentra la Escalera, destaca una escultura romántica con la figura de un niño recogiendo flores en el campo, obra del célebre artista cuencano Gaspar de Zangurima, y que fue un obsequio de los reyes vasallos María I y Gabriel de Azuay en el año 1842. Un gran óleo colonial de Santa Catalina de Siena, rescatado del deterioro de las bodegas del monasterio homónimo en 1834, fue reparado y colocado en la pared norte de este espacio, enmarcado por dos grandes lámparas de pedestal de origen francés.

En este espacio, contiguo a la Escalera de Honor por el lado norte, se reunían las damas de compañía de la Princesa para distribuir sus labores diarias, informarse de los pormenores de la agenda de la heredera consorte y, llegada la hora, para servirse las comidas o descansar en medio de la jornada.

Se conoce que inicialmente fue una de las oficinas de los Oidores de la Audiencia durante la época colonial, convertida para su uso cortesano en las reformas emprendidas por los príncipes María Teresa y Leopoldo, en 1852. Actualmente está despojada de sus muebles originales, que fueron trasladados al Palacio de La Recoleta.

La decoración destaca paredes paneladas de madera en color blanco, estucadas y doradas con elaborados patrones de estilo rococó que se extienden hasta las cenefas del techo. Un gran espejo de cristal de roca quitburgués sobre una chimenea de piedra andesita pulida, son el punto focal del espacio, en el que llama la atención un tipo de piso diferente al del resto de habitaciones: tablones de madera lacada en lugar del parqué.

Ubicada al costado sur de la Escalera de Honor se encuentra la llamada Escalera de Servicio, destinada al tránsito de la servidumbre del Palacio, aunque sus proporciones bien podrían considerarse como una secundaria del edificio. Desde 1987 existe, en el antiguo gabinete de servicio adjunto, un elevador que facilita el ascenso de minusválidos a los pisos superiores del museo, así como de la comida para los banquetes que aún se ofrecen ocasionalmente en los salones de protocolo.

La escalera asciende en tres cuerpos hasta el siguiente nivel, completando allí un rectángulo visual. La estructura es de mampostería de ladrillo y hierro, recubierta por piedra blanca de Loja y, en los descansos, cerámica brasileña. Por motivos de seguridad, los deteriorados pasamanos originales de madera fueron sustituidos por los actuales, de hierro forjado, en 1982.

Una gran lámpara de bronce de fabricación belga ilumina el espacio desde 1853, convirtiéndose en quizá el único elemento decorativo original. El gran retrato del emeprador Leopoldo I que cuelga de la pared fue añadido con motivos museísticos en 1984. y antes se encontraba en el Palacio de El Ejido.