Alla prematura morte di Raffaello ne ereditò, per testamento, la bottega e le commissioni già avviate, assieme al collega Giovan Francesco Penni con il quale collaborò a lungo. In tale periodo si occupò di coordinare gli affreschi di Villa Madama e di completare la sala di Costantino nelle stanze Vaticane in cui gli viene riconosciuta l'esecuzione di alcune scene.
Dopo aver collaborato ai progetti di Raffaello, i suoi primi autonomi progetti di architettura furono a Roma: il palazzo Adimari Salviati (dal 1520), la Villa Lante sul Gianicolo ed il Palazzo Maccarani Stati.
Fu invitato, come artista di corte, a Mantova da Federico II Gonzaga a cui era stato indicato fin dal 1521, da Baldassarre Castiglione, letterato e suo ambasciatore a Roma. Nonostante la prestigiosa carriera avviata a Roma, accettò l'invito dopo lunghe insistenze, ma attese a Roma il completamento dei lavori che Raffaello non aveva avuto modo di terminare, per raggiungere la città lombarda nel 1524.
Il suo primo incarico a Mantova fu di occuparsi del cantiere della villa di Marmirolo (distrutta) e successivamente gli fu affidata la realizzazione di un casino fuori delle mura della città, in una località chiamata Te, dove il marchese Federico II aveva delle scuderie. Giulio Romano realizzò un grandioso edificio a metà tra il palazzo e la villa extraurbana conosciuto come Palazzo Te. Il lavoro di Giulio Romano dedicato a Palazzo Te, lo vide impegnato per dieci anni a partire dalla fine dell'anno 1525. Subì frequenti pressioni del marchese committente affinché si procedesse più speditamente.
Nel 1526 venne nominato prefetto delle fabbriche dei Gonzaga e "superiore delle vie urbane", che gli davano la qualifica di sovrintendere a tutte le architetture e le produzioni artistiche della corte portando avanti un'ampia opera come pittore e architetto, improntata a un fasto decorativo e gusto della meraviglia e dell'artificio ingegnoso e bizzarro che ebbero larga diffusione nella cultura manierista delle corti europee.
Dopo l'elevazione a ducato della casata, Giulio Romano si occupò della sistemazione anche del Palazzo Ducale dove realizzò tra l'altro, il cortile della Cavallerizza oltre che alcuni affreschi. Nel decennio 1530-1540, si occupò di molteplici progetti tesi a trasformare Mantova secondo le ambizioni dei Gonzaga.
Quando Vasari lo visitò nel 1541, trovò un uomo ricco e potente. Il suo status gli consentì di realizzare per sé un palazzo nel centro di Mantova denominato Casa di Giulio Romano.
Nel 1546 la morte gli impedì di ritornare a Roma per divenire primo architetto della fabbrica di San Pietro.
