La piazza ha assunto l'attuale assetto nel XVI secolo quando Paolo III ne commissionò a Michelangelo Buonarroti il totale rifacimento in occasione della visita a Roma dell'imperatore Carlo V. Il progetto previde: il rifacimento delle facciate di palazzo Senatorio, costruito pochi anni prima sui ruderi del Tabularium, e di palazzo dei Conservatori, la costruzione di palazzo Nuovo e l'aggiunta di diverse sculture e statue, tra cui quella di Marco Aurelio, posta al centro della piazza, e quelle raffiguranti il Tevere e il Nilo. Michelangelo conservò l'orientamento obliquo delle preesistenze, ottenendo uno spazio aperto a pianta leggermente trapezoidale (il Palazzo Senatorio e quello dei Conservatori formano un angolo di 80°), sulla quale allineò le nuove facciate, al fine di espandere la prospettiva verso il fuoco visivo costituito dal Palazzo Senatorio. Allo scopo pensò di costruire un nuovo palazzo, detto per questo Palazzo Nuovo, per chiudere la prospettiva verso la basilica di Santa Maria in Aracoeli e di pavimentare la piazza così ottenuta eliminando lo sterrato esistente; ridisegnò il Palazzo dei Conservatori eliminando tutte le strutture precedenti e armonizzandolo con il Palazzo Senatorio, a cui aggiunse una doppia scalinata che serviva per accedere al nuovo ingresso, non più rivolto verso i fori ma verso la piazza. Modifica anche la facciata per uniformarla a quella del palazzo dei conservatori (e quindi anche a quello del palazzo nuovo verso la chiesa di S. Maria dell'Aracoeli), inserendo paraste di ordine gigante (che compare per la prima volta negli edifici pubblici), un cornicione con balaustra (elemento di novità), e una torre. Al Palazzo dei Conservatori aggiunge una facciata a portico, e anche qui inserisce paraste di ordine gigante (che la scandisce in modo ritmico e regolare), e un cornicione balaustrato con statue. Il Buonarroti progettò anche la scalinata della Cordonata e la balaustra da cui ci si affaccia alla sottostante piazza d'Aracoeli. La statua equestre di Marco Aurelio in bronzo dorato, precedentemente situata in piazza San Giovanni (dove ora si trova l'obelisco), venne posizionata al centro da Michelangelo, a cui Paolo III aveva commissionato di studiarne la precisa collocazione; la statua originale, dopo lungo restauro che ha anche riportato alla luce delle tracce di doratura, è oggi conservata nei Musei Capitolini, mentre sulla piazza è stata messa una sua copia. La statua del “Tevere”, originariamente il “Tigri”. La statua del "Nilo" La statua della "dea Roma" I lavori andarono così a rilento che Michelangelo (morto nel 1564) poté vedere il compimento solo della doppia scalinata che serviva per il nuovo accesso al Palazzo Senatorio, con il posizionamento delle due statue raffiguranti il “Nilo” e il “Tevere”. La facciata e la sommità della torre erano ancora incompleti, mentre il Palazzo Nuovo non era neanche stato iniziato.