La parte più antica del Palazzo, che gravita attorno al Cortile Antico, corrisponde all’Hospitium Bovis, un albergo famoso alla metà del XV secolo, acquistato dall'Università nel 1493 per adibirlo a sede della scuola dei giuristi. Nella seconda metà del Cinquecento il Bo venne ampliato e trasformato, e il corpo principale, con il Cortile Antico a doppio ordine di colonne, prese la forma che oggi conosciamo. Il radicale intervento è attribuito ad Andrea Moroni, architetto molto attivo in città. Il Cortile è ornato da numerosi stemmi, lì collocati fino alla fine del Seicento per rappresentare le famiglie degli studenti e coloro che occupavano cariche accademiche.
Nei secoli successivi, per le accresciute esigenze didattiche, il moltiplicarsi di nuove materie di insegnamento e il progredire nella strumentazione scientifica, l’Università procedette via via all’acquisto degli edifici contigui, finché sotto il rettorato di Carlo Anti (1932-1943) Palazzo Bo assunse l’aspetto attuale: tutte le costruzioni a sud del nucleo storico di Palazzo Bo vennero profondamente ristrutturate e articolate attorno a un cortile, allora chiamato Cortile Littorio, oggi Cortile nuovo, realizzato su progetto dell'architetto Ettore Fagiuoli. Spetta invece a Gio Ponti la progettazione e, insieme ad Anti, il coordinamento dei lavori di arredo e di decorazione.
Tra gli ambienti più significativi di Palazzo Bo vanno ricordati l'Aula Magna e il Teatro Anatomico, il quale, completato nel 1595, costituisce il primo esempio al mondo di struttura permanente creata per l’insegnamento dell’anatomia attraverso la dissezione di cadaveri. Dal Teatro Anatomico si accede alla Sala di Lauree di Medicina, una delle quattro aule di rappresentanza delle facoltà, destinate a ospitare le loro celebrazioni solenni: sotto il rettorato di Anti, ciascuna sala fu arricchita dagli affreschi di alcuni grandi artisti italiani del Novecento, come Funi e Severini. Sempre ad Anti spetta la decorazione degli ambienti del Rettorato, di cui fanno parte lo Studio del rettore e una serie di sale destinate ad offrire un'alternativa di ritrovo per il tempo libero dei docenti e delle loro mogli: Cucina, Sala da Pranzo, Sala di Lettura e Sala del Caminetto. Contigua a quest’area del palazzo è la Sala del Collegio accademico (o Archivio Antico), dove son stati collocati alcuni armadi e scaffali scolpiti e decorati tra il 1698 e il 1704 dall’artista fiammingo Michele Bertens, che formavano un tempo la biblioteca del convento benedettino di Santa Giustina. La sala del Collegio si chiude quindi sulla Basilica, che s’inscrive su quanto restava del settecentesco Teatro di fisica sperimentale di Giovanni Poleni. Per tutti questi ambienti Gio Ponti ha ideato ogni singolo particolare, dal disegno dei pavimenti ai tavolini, dalle poltrone ai portariviste, le lampade, le porte e perfino le loro maniglie.