La decorazione degli ambienti interni di Palazzo Baladassini fa parte molto probabilmente di un programma unitario voluto dal committente ed attende ancora un'interpretazione esaustiva.
Uno dei primi ambienti affrescati del Palazzo fu quello al pianterreno nell'ala occidentale, dipinto tra il 1517 e il 1519 su disegno di Giovanni da Udine. La decorazione, ispirata al criptoportico della Domus Aurea, scoperta nel 1480, era del tutto in sintonia con il gusto antiquariale che trionfava a Roma in quegli anni.
Nel soffitto, ai lati del riquadro centrale con lo stemma del Baldassini, contornato da quattro granchi, è raffigurato un bestiario costituito da animali esotici e fantastici.

Sulle pareti si dispiega una decorazione a grottesche con candelabri, nastri, trofei, intervallata da tempietti in prospettiva con divinità accompagnate dai loro cortei, recanti i simboli e gli attributi che le identificano: Cerere e Marte, Nettuno e Giove nelle pareti lunghe (probabilmente allusive ai quattro elementi: terra, fuoco, acqua e aria) e ancora Venere, Bacco, Olpi, Sirene, Centauri, fra i quali si aggirano un'infinità di uccelli, civette, topi, ricci, scoiattoli.

Della decorazione del salone al piano nobile il Baldassini incaricò Perin del Vaga, forse già introdotto in questo cantiere del Sangallo, se non addirittura attivo come aiuto di Giovanni da Udine per gli affreschi al pian terreno.

La decorazione originale era articolata su due registri: l'inferiore, scandito da paraste corinzie su alto zoccolo, ai lati di grandi nicchie con solenni figure di filosofi e di nicchie piccole con dei putti; il registro superiore, ritmato da cariatidi, ai lati di riquadri raffiguranti episodi di storia romana: fra questi La fondazione del tempio di Giove Capitolino e la Giustizia di Zeleuco, ora conservati a Firenze nella Galleria degli Uffizi.

A causa delle trasformazioni subite dall'edificio nel corso della sua storia, delle scene rimaste una si riferisce alla Leggenda della ninfa Egeria e la seconda non è identificabile.

La stanza da letto del Baldassini al piano nobile è ornata da un fregio a girali d'acanto ed attribuita a Giovanni da Udine o Perin del Vaga. Fra questa e lo studio è la stufetta, una delle prime realizzate a Roma, dopo quella costruita nei Palazzi Vaticani per il cardinale Dovizi da Bibbiena. La decorazione della stufa è costituita da scene mitologiche e soggetti ispirati all'acqua, forse la figurazione del mito di Apollo e Dafne. In due dei cinque riquadri laterali superstiti, incorniciati da un fregio con animali marini in cui ritorna il motivo del granchio, sono raffiguratedue ninfe e Narciso che si specchia nell'acqua

La Sala del Consiglio è ornata da un fregio pittorico a riquadri la cui attribuzione, a lungo oscillante fra Perin del Vaga e Polidoro da Caravaggio, è piuttosto ascrivibile a quest'ultimo artista, la cui attività nel Palazzo, in collaborazione con Maturino da Firenze, è ricordata nelle Vite del Vasari. Forte influenza hanno avuto su Polidoro le suggestioni michelangiolesche della volta della Cappella Sistina e quelle degli artisti spagnoli Pedro Machuca e Alonso Berruguete nella riproduzione di un'atmosfera carica di tensione, nella quale si muovono figure dalle caratteristiche fisiognomiche fortemente accentuate.

I dieci riquadri, fortemente ritoccati nel corso del restauro degli anni '50, sono intervallati sulle pareti lunghe da grifoni e su quelle brevi da due coppie di putti ai lati dell'emblema araldico del Baldassini. Il significato della narrazione, che inizia dalla parete est, non è mai stato chiarito. Non è improbabile che esso voglia alludere, in forma traslata, alle varie tappe della vita e della carriera del proprietario, attraverso exempla desunti dalla storia romana.