Palatsin marmorisali veistoksineen on maailmanarkkitehtuurin todellinen helmi. Sali on erinomainen esimerkki ainutlaatuisesta kivenkäsittelystä. Seiniä koristaa neljätoista paria seinään upotettua pystyuurteista Karjalasta louhitusta marmorista tehtyä vaaleanpunaista pylvästä, joiden yläosa ja jalusta on kullattua pronssia. Seiniä koristavien köynnösten päällä olevat valkoisesta italialaisesta marmorista tehdyt kotkat muistuttavat palatsin ensimmäisestä omistajasta kreivi Orlovista.
Taiteilija Mihail Kozlovskin suunnittelemat muinaisen Rooman puunilaissotia esittävät kohokuvat Regulus palaa Karthagoon ja Camillus vapauttaa Rooman gallialaisista kuvaavat sotapäälliköiden uskollisuutta isänmaalle, heidän velvollisuudentunnettaan ja uhrautumisvalmiuttaan. Kattoa koristaa Stefano Torellin kattomaalaus Amorin ja Psyyken avioliitto. Nykyisen muotonsa Marmorisali sai 1800-luvun puolivälissä, kun arkkitehti Aleksandr Brjullov purki toisen ja kolmannen kerroksen välisen välikaton ja saliin tuli kaksi riviä ikkunoita. Kattomaalaus nostettiin kolmannen kerroksen korkeuteen. Saliin hankittiin valaisimet, jotka ovat pronssia ja kristallia.
