Еще в XV веке стало ясно, что древнюю базилику св. Петра давно пора сломать и построить на ее месте новое здание (официально оно сохранило старое название — Базилика ди Сан Пьетро ин Ватикано, но фактически его стали называть собором св. Петра).
Выполнение столь важного дела Юлий II поручил крупнейшему архитектору того времени Донато Браманте. Верный идеалам гуманизма, поклонник принципов античного зодчества, Браманте решил построить величественное крестово-купольное здание с применением техники римских бетонных конструкций IV века: он хотел водрузить купол Пантеона на своды базилики Максенция и Константина.
В апреле 1506 года состоялась закладка нового здания. Строительство велось очень долго, и в процессе его план неоднократно менялся. Собор в законченном виде сильно отличается от первоначального замысла; о том, каким хотел видеть его интерьер Браманте, можно судить по знаменитой фреске Рафаэля «Афинская школа» в одной из комнат Ватикана, где передан дух, но не размеры здания.
Браманте руководил строительством собора до своей смерти в 1514 году; его помощниками в этой работе были Джулиано да Сангалло, фра Джокондо из Вероны и Рафаэль Санти (или Санцио) из Урбино.
Помимо строительства собора св. Петра Юлий II поручил Браманте создать новую огромную архитектурную композицию, чтобы соединить летнюю папскую резиденцию — виллу Бельведер — с Сикстинской капеллой, папским дворцом и строящимся собором.
Браманте спроектировал длинные неширокие здания-коридоры, соединяющие виллу с основными ватиканскими помещениями, а между ними — столь же длинный широкий двор, располагающийся на трех понижающихся террасах. Северная поперечная стена двора (за которой находится Бельведер) эффектно украшена полукруглой нишей — экседрой, в которую поместили гигантскую античную бронзовую шишку, поэтому северная часть двора получила название Джардино делла Пинья — «Сад Еловой Шишки».
Южная часть двора сохранила прежнее название — «Двор Бельведер». Впоследствии почти в центре построили два поперечных здания: Браччо Нуово (начало XIX в.) и Сикстинский зал библиотеки (конец XVI века.). Такие вот новости технологий того времени.
Принципиальная новизна работы Браманте в Ватикане заключалась в том, что он впервые после античности создал единый архитектурный ансамбль (проект более раннего ансамбля двора церкви Сан Пьетро ин Монторио не был претворен в жизнь).
Одновременно Браманте строил внутренний двор Сан Дамазо около папского дворца, а также специальное здание музея около Бельведера. После его смерти работу продолжил Рафаэль, под руководством которого в 1518—1519 годах его ученики расписали изящными фресками лоджии этого двора, навсегда сохранившие его имя, — «лоджии Рафаэля». Эта работа явилась завершающим этапом создания нового стиля стенной росписи — гротеска, название которого образовано от слова «грот» (подземелье). Дело в том, что еще в 1480-х годах в Риме обнаружили руины Золотого Дома Нерона, которые обратились в некое подобие пещер, и поэтому их стали называть гротами. Там сохранились фрагменты античных фресок, построенных на сплетениях линий растений. Художники XV в. ничего подобного ранее не видели и с увлечением принялись за их изучение, проводя много времени в «гротах» среди сырости и лягушек. Рафаэль также уделил большое внимание руинам Золотого Дома и в значительной мере возродил и усовершенствовал стиль древних фресок.