Al primo piano del chiostro grande esistevano gli appartamenti usati dai pontefici in visita a Firenze. Vi risiedettero per esempio Eugenio IV durante il Concilio di Firenze, oppure Leone X. Proprio su impulso di quest'ultimo fu realizzato l'unico ambiente superstite del complesso papale, la "Cappella dei Papi", affrescata da Ridolfo del Ghirlandaio ("Assunzione della Vergine") e dal giovane Pontormo (1515), il quale realizzò una eloquente figura della Veronica che solleva il drappo con il volto di Cristo, con una composizione ed un uso del colore che già sono tipicamente manieristi. Inoltre il soffitto è dipinto con originalissimi motivi a grottesche su sfondo scuro, con nove quadri dove sono ritratti angeli, altre figure e blasoni medicei.