Salone da Ballo La grande sala delle feste, salone dei ricevimenti per i balli, rappresenta un elemento di originalità rispetto ad altri palazzi veneziani. Ricavato da Massari utilizzando la doppia altezza dei due piani nobili del palazzo, il salone costituisce l'elemento più fastoso dell'edificio.
Le "quadrature architettoniche", che dilatano artificiosamente il già vasto spazio, sono opera del lombardo Pietro Visconti, uno specialista di questo genere di decorazioni molto in voga nella Venezia del Settecento. L'affresco sul soffitto, raffigurante il carro di Febo e ai quattro lati Europa, Asia, America e Africa, fu dipinto dal veneziano Giovanni Battista Crosato. Nella parete maggiore campeggia lo stemma della famiglia Rezzonico.
I lampadari sono tra i pochi pezzi superstiti dell'antico arredamento, mentre i mobili, capolavoro di Andrea Brustolon, provengono da Palazzo Venier a San Vio.

Sala dell'Allegoria Nuziale La sala trae il nome dall'affresco sul soffitto eseguito nell'estate del 1758 da Giambattista Tiepolo, con la collaborazione del figlio Giandomenico e del quadraturista emiliano Gerolamo Mengozzi Colonna, per festeggiare le nozze tra Ludovico Rezzonico e Faustina Savorgnan. Al centro si vedono gli sposi trasportati sul carro di Apollo, preceduti da Cupido bendato e circondati da putti, colombe e raffigurazioni delle Virtù. Si trata di una delle ultime opere dipinte da Tiepolo a Venezia, prima del trasferimento a Madrid, dove morì nel 1770.

Sala dei Pastelli In questa sala il messo pontificio comunicò alla famiglia, il 13 luglio 1758, l'elezione al soglio papale del cardinale Carlo Rezzonico.
L'affresco sul soffitto, attribuito al bellunese Gaspare Diziani, raffigura la Poesia circondata dalla Pittura, dall'Architettura, dalla Musica e dalla Scultura, mentre un putto armato di fiaccola fa precipitare l'Ignoranza.
Alle pareti sono esposti ritratti a pastello eseguiti da Rosalba Carriera, Marianna Carlevarijs, Gian Antonio Lazzari e altri specialisti di questo genere, molto apprezzato nel Settecento.

Sala degli Arazzi Nei tre grandi arazzi fiamminghi del XVII secolo, che danno il nome alla sala, sono rappresentate episodi della storia biblica di Salomone e della regina di Saba. Assieme al mobilio rococò intagliato e dorato, che completa l'arredamento della stanza, essi provengono da palazzo Balbi Valier a Santa Maria Formosa.
Sul soffitto Jacopo Guarana dipinse il Trionfo delle Virtù.
La porta gialla decorata con delle "cineserie", appartenente all'arredamento originale del palazzo, dopo essere stata venduta con il resto dell'arredo, pervenne in dono alle Gallerie dell'Accademia, che l'hanno concessa in deposito a Ca' Rezzonico. È possibile che il disegno per la decorazione di questo importante esemplare, databile attorno al 1760, sia stato fornito da Giambattista o Giandomenico Tiepolo, che allora stavano eseguendo gli affreschi del palazzo.

Sala del Trono Il fastoso trono in legno dorato e intagliato, eseguito dalla bottega dello scultore Antonio Corradini, fu usato da papa Pio VI il 10 marzo 1782, quando, durante il suo viaggio verso Vienna, fece tappa a Venezia, fermandosi una notte nella dimora di Chioggia dei Grassi.
In questa sala, della quale non si conosce l'originaria destinazione, fu allestita la camera nuziale di Ludovico Rezzonico e Faustina Savorgnan.
L'affresco sul soffitto, dipinto nell'estate del 1758 da Giambattista Tiepolo in collaborazione con Gerolamo Mengozzi Colonna, rappresenta l'Allegoria del Merito.
Il ricco mobilio dorato, appartenuto alla famiglia Barbarigo, è attribuito alla bottega di Corradini, lo scultore estense che sovraintese anche alla decorazione dell'ultimo Bucintoro.

Sala del Tiepolo Il soffitto della stanza ospita una tela sagomata raffigurante La Nobiltà e la Virtù che abbattono la Perfidia, dipinta tra il 1744 e il 1745 da Giandomenico Tiepolo per il palazzo Barbarigo a Santa Maria del Giglio. Il dipinto fu acquistato nel 1934 dal Comune di Venezia e collocato, entro una cornice di stucco, in questa sala, originariamente priva di decorazioni.
Contro la tappezzeria tardo settecentesca sono esposti vari dipinti di Alessandro Longhi, Giandomenico e Lorenzo Tiepolo e altri.
L'imponente bureau-trumeau databile a metà del Settecento, un esemplare unico per qualità e stato di conservazione, forse faceva parte dell'arredamento originale del palazzo.

Biblioteca I sei imponenti armadi-biblioteca tardo secenteschi sono collocati in questa sala per ricostruire l'arredamento di un antico studio.
I cinque tondi sul soffitto, proveniente assieme a quelli che ora ornano la Sala del Brustolon da Palazzo Nani sul rio di Cannaregio, sono stati dipinti dal vicentino Francesco Maffei attorno al 1657-58. Raffigurano al centro Prometeo con lo specchio e l'aquila, ai lati Dedalo e Icaro, Prometeo liberato, Perseo con la testa di Medusa e Andromeda legata allo scoglio.