Dal chiostro, per un piccolo atrio colonnato si sale al primo piano alla Sala detta del Doge per il corno ducale e gli stemmi che ricordano le famiglie imparentate con i Giovanelli. Le sculture lignee del soffitto sono opera del leoniceno Giuseppe Regagioli. Alle pareti: Le quattro parti del mondo, dipinto ricco di colore e di elegante composizione, è attribuibile a scuola genovese, sec. XVII; e Giobbe deriso dalla moglie, di un caravaggesco lombardo, opera piena di drammatico pathos; un elegante Gesù tra Marta e Maria ambientato in una cucina italiana cinquecentesca, di scuola fiamminga; di fronte un dipinto di ignoto significato ma chiaramente di gusto neoclassico.

Da questa sala si passa alle stanze dell'ala Nord della villa, che al tempo dei Giovanelli servivano come soggiorno per il pranzo e per i ricevimenti degli amici. Erano qui esposti quadri del Tiepolo e di paesaggisti ottocenteschi, un busto di donna del Canova e, forse entro un armadio portatile, la Tempesta del Giorgione.

La sala delle colombe prende il nome dall'affresco del soffitto, che dovrebbe essere una delle prime opere eseguite a villa San Fermo da Luigi Scrosati negli anni immediatamente successivi al rinnovamento della villa. Di solito si crede che lo Scrosati sia soprattutto un pittore di fiori, dimenticando che prima della malattia che gli tolse l'uso delle gambe intraprese notevoli decorazioni ad affresco nei palazzi milanesi. L'infelice proporzione della sala viene corretta dal soffitto illusionistico, che sopra una balaustra apre un cielo sereno con un volo di colombe. Agli angoli pregevoli chiaroscuri entro sinuose cornici barocche. Alle pareti un paesaggio piemontese del Settecento e un bozzetto con San Carlo Borromeo in gloria, del Cerano.

La sala vicina, separata un tempo da una vetrata, ha un soffitto ligneo riccamente intagliato e, anticamente, dorato. Tra il leone di San Marco, gli stemmi a colori delle quattro grandi famiglie imparentate con matrimoni ai Giovanelli. Segue la sala più bella dell'appartamento, per lo splendido soffitto decorato dai bianchi stucchi del Caremi e affrescato dal pennello di Luigi Scrosati. Il Caremi, nei giochi e scherzi di bambini, riprende il tema tiepolesco della Foresteria di Villa Valmarana ai Nani, mentre lo Scrosati dispone i suoi cespi di fiori eleganti e sempre un poco sbocciati tra un tondo e l'altro. Alle pareti elegante caminetto settecentesco e due tele di gusto neoclassico con episodi dell'Antico Testamento.

La vicina sala, detta delle sei porte per le vetrate che si aprono sul parco e sul cortiletto interno, presenta alle pareti due quadri attribuiti a Mosè Bianchi: quello di una famiglia, pieno di pungente realismo lombardo; più sontuoso il ritratto di un canonico, incompiuto nelle mani ma ben delineato nella fisionomia e nella intuizione psicologica. Di una certa forza un ritratto abbastanza antico di Torquato Tasso e un incisivo ritratto di nobiluomo, forse cinquecentesco. La sala immette nel corridoio degli appartamenti monumentali, completamente rifatti dopo l'incendio del 1855 che devastò la villa. Autori del progetto dovrebbero essere stati G. Battista e Tomaso Meduna, architetti e ingegneri veneziani impegnati nella ristrutturazione degli interni di palazzo Giovanelli in rio de Noal a Venezia. I Meduna diedero alla villa San Fermo la forma di un castello con le torri angolari, quasi ad indicare la funzione acropolica che la dimora gentilizia veniva ad assumere nei confronti della città di Lonigo. L'eclettismo dei Meduna ottiene i migliori risultati nella impostazione del gigantesco scalone che campeggia autonomo al centro della villa, collegando ben quattro piani, dall'ingresso alle torrette.

Il primo vano dello scalone ha una volta a botte ed è decorato da finissimi stucchi a rosoni con gli stemmi delle famiglie imparentate coi Giovanelli; sopra il portale lo stemma della casa principesca con i due giovanetti sulla barca. Dopo ampio portale che immette al piano terra della villa, si vede l'elegante snodarsi dello scalone che, sostenuto dalla parete, sale mediante tre rampe al piano nobile. Gli scalini sono in marmo finemente lavorato, le pareti in delicata marmorina ocra, il corrimano della elaborata ringhiera era in pelle variegata e una rossa stuoia ricopriva i gradini. Le piccole borchie in ottone delle pareti sostenevano le lampade della illuminazione a gas. Dal soffitto, decorato a stucchi, pende un fanale in bronzo dorato. Il ripiano porta agli appartamenti già illustrati e alla biblioteca del principe: nel corridoio due copie di affreschi di Pietro da Cortona a Palazzo Pitti a Firenze; sul vano scale grande specchiera ottocentesca.

L'esterno chiaramente rispetta la funzionalità degli spazi interni: se la facciata tra le due torrette presenta appena cinque grandi porte e balconate, i fianchi sono tutti traforati da numerose finestre e porte con pergolo, corrispondenti alle piccole sale della villa. Dalla porta che si apre sotto la pensilina si vedono i due grandi vani che un tempo erano cedraia e arancera della villa; ora la sala a settentrione è stata trasformata in cappella: l'arredo è stato costituito recentemente; sulla vetrata di fondo la testa di Gesù «via, verità e vita», eseguita dal pittore Alberto Bogani di Como, che ha dipinto anche le piccole finestre e la grande icona lignea di un attiguo seminterrato, trasformato ora in cripta per la preghiera.
Risalito lo scalone un corridoio introduce alle sale del Piano Nobile.

La biblioteca del Principe, usata anche come sala di ricevimento e per le udienze, è una delle tre grandi sale della facciata da cui si domina Lonigo e il bellissimo paesaggio che dai Bericí spazia alle Alpi, alla pianura padana e in certe giornate fino all'Appennino modenese. Dei mobili manca il tavolo centrale, ma rimane ancora sul posto la splendida libreria in legno di ciliegio intagliato con le aquile che reggono nel becco la campanula per l'illuminazione. Anche il pavimento, in legno come quelli delle altre due sale che seguono, è un ottimo lavoro delle maestranze leonicene, specializzate nel cosiddetto parquet finemente lavorato e disposto secondo un elegante disegno e con straordinari caldi effetti di colore. Il soffitto a stucchi dorati su fondo bianco, tra i medaglioni di Dante e Beatrice, Petrarca e Laura, porta al centro il tondo di Paolo e Francesca eseguito da Mosè Bianchi nel 1877 con gli affreschi delle altre sale. Per la rappresentazione dei celebri amanti danteschi colti nella «bufera infernal che mai non resta», il Bianchi eseguì alcuni bozzetti con il corpo di Francesca rovesciato sulla spalla di Paolo, quasi ad indicare la disperazione della donna e la pacata sofferenza dell'uomo. L'affresco di Lonigo riprende esattamente il bozzetto conservato nella Pinacoteca Ambrosiana di Milano, anche se la resa è meno drammatica. Purtroppo l'affresco ha perduto quel cielo grigio e tempestoso tanto celebrato dalla critica del tempo, ma resta il famoso incarnato roseo del corpo di Francesca che ben risalta a contatto del bruno e nerboruto petto di Paolo. La sciarpa azzurra e i drappi che avvolgono i due corpi sono chiamati come note di colore a rompere la coltre delle nubi.

La porta a doppio battente immette nel Salone d'onore, detto un tempo degli Arazzi per i due arazzi con le Storie di Semiramide posti sulla parete accanto al caminetto. A prima vista il salone appare disarmonico, troppo lungo e troppo basso, illuminato solo da tre grandi porte finestre e comunicante con le altre sale con due porte a cornici di prezioso marmo rosso. Ma i grandi ovati del soffitto dipinti da Mosè Bianchi con i larghi squarci di cielo riescono a equilibrare illusionisticamente le proporzioni della sala.
Per questo ricchissimo soffitto in legno intagliato e a stucchi dorati è stato detto che i modelli sono quelli del palazzo Ducale di Venezia; e infatti il Bianchi, prima di accingersi alla decorazione di villa San Fermo, volle fare uno studio accurato sul Veronese di Palazzo Ducale e sul Tiepolo delle chiese veneziane. Anche per questi tre ovati esistono i bozzetti preparatori, ove il Bianchi dispiega una mano felice nell'impaginare un discorso sempre ricco d'inventiva tra audaci scorci prospettici da sotto in su e preziosi particolari di vesti, fiori, nuvole. il tema, che potrebbe essere stato suggerito dal principe Giuseppe Giovanelli, riflette il momento storico dell'Italia e dell'Europa subito dopo la guerra franco prussiana, che aveva portato i tedeschi a Parigi e gli italiani a Roma. I dipinti auspicano il trionfo delle attività commerciali, rappresentate dal dio Mercurio, e il dissolversi dell'incubo della guerra, mentre la Pace esaltata dalla Storia domina e diffonde la sua luce benefica nelle varie parti del mondo.