Malgrado le iniziali diffidenze della popolazione mondolfese, il periodo roveresco, che coincise con il Rinascimento, si rivelò prospero e felice per la cittadina grazie agli stretti rapporti della casa principesca con le corti dell’Italia settentrionale e agli scambi commerciali e culturali con la stessa area. Splendido testimonianza del periodo roveresco e di quello immediatamente seguente è la chiesa agostiniana di Santa Maria del Soccorso, ricostruita dal 1586 al 1593. La floridezza economica è confermata dalla presenza di una attiva comunità ebraica mondolfese.
Nel 1508, Francesco Maria della Rovere, figlio di Giovanni, divenne duca di Urbino per l’estinzione della casa dei Montefeltro, unendo così a quel Ducato il piccolo Stato paterno. Il nuovo duca dovette affrontare una grave crisi politica allorché, nel 1516, papa Leone X de’ Medici gli tolse l’investitura per dare il Ducato a suo nipote Lorenzo. Accesasi nell’anno seguente una guerra fra i due principi, a Mondolfo rimasta fedele al Della Rovere, venne posto l’assedio da parte di Lorenzo de’ Medici, che in quella occasione rimase ferito. Triste conseguenza dell’assedio e del conseguente sacco fu la distruzione dell’archivio comunale. Pur avendo dovuto abbandonare la lotta per ristrettezze finanziarie, nel 1521, alla morte del pontefice, Francesco Maria poté facilmente recuperare il suo Stato e quindi Mondolfo, acclamato dalla popolazione.
Mondolfo rimase nel Ducato d’Urbino fino alla morte dell’ultimo regnante di casa Della Rovere, avvenuta nel 1631. Allora lo Stato fu devoluto alla Santa Sede e trasformato in legazione.