La embajada alberga una importante colección de mobiliario y de obras de arte.  El mobiliario es en su mayoría proveniente del S. XVIII y XIX, destacando sus consolas de mármoles antiguos y sus lámparas de araña.

La pintura es en su mayor parte del siglo XIX, con retratos emblemáticos de la realeza española por mano de Vicente López, Federico Madrazo o Vicente Palmaroli.

Algunas obras en depósito proceden del Museo de Prado: Jan Wildens, Jean Marc Nattier o Mario di Fiori.

El Palacio alberga una gran colección de tapices flamencos y gobelinos de los siglos XVI, XVII y XVIII.

Las dos obras más importantes de la colección son los célebres bustos de Gian Lorenzo Bernini el alma condenada y el alma beata, de 1619.

Los cuadros que hoy cuelgan de las paredes del Palacio de España son testimonio de la estrecha vinculación existente entre la Embajada ante la Santa Sede y los monarcas españoles. Empezando por el retrato de Carlos III de Rafael Mengs, pasando por los retratos anónimos de Carlos IV y su mujer Maria Luisa de Parma, el emblemático retrato de Fernando VII por Vicente López, el gran retrato de la Reina Isabel II por Federico de Madrazo y los dos retratos de Alfonso XIII, uno de niño de Vicente Palmaroli y otro vestido como Gran Maestre de las órdenes de Santiago, Montesa, Alcántara y Calatrava de Julio Moises.