En 1912 fueron localizados dos importantes planos anónimos del siglo XVI que representan el palacio y su entorno, anónimos y sin fechar, hoy conservados en la biblioteca del Palacio Real de Madrid. Hacia 1940 apareció otro plano también sin firma ni fecha, custodiado en el Archivo Histórico Nacional (Sección Nobleza) en Toledo, que incluía sólo la planta del palacio. Este plano es el objeto de una reciente investigación que ha sido publicada en la revista EGA. Su adecuada interpretación dentro del proceso de diseño y construcción, así como su datación y posible autoría, resultan cruciales para comprender los orígenes del edificio. Son cuestiones sobre las que esta investigación aporta datos novedosos, abriendo nuevas líneas de trabajo.
 
A partir de una precisa reproducción digital, se han podido analizar y transcribir por primera vez todos sus trazados incisos con punzón, una técnica gráfica habitual en el siglo XVI. Ello ha permitido conocer el proceso de diseño geométrico del palacio, un asunto que ha generado no pocas especulaciones. Se ha constatado que los trazados utilizados fueron relativamente sencillos, descartándose las complejas hipótesis de bastantes autores. El diseño del edificio destaca claramente por la rotundidad y simbolismo de dos formas geométricas, el cuadrado del perímetro exterior y el círculo del patio, que debieron ser el origen de la composición. Ambas figuras guardan una sencilla y poco conocida proporción: el diámetro del patio mide la mitad del lado del cuadrado. Además, en la capilla octogonal se ha detectado un procedimiento geométrico que se usaba en la arquitectura gótica para trazar y dimensionar muros, basado en el método de la cuadratura (por giro de cuadrados). En definitiva, el arquitecto de este palacio, que fue innovador con sus formas renacentistas, era también conocedor de trazados gótico-medievales. Dicha cuestión debe tenerse en cuenta en los recurrentes debates sobre la posible autoría de la traza o del propio edificio.
 
Esta traza pudo servir para elaborar una desaparecida maqueta que fue encargada en 1528, cuyas dimensiones se conocen a través de documentación posterior y que tendría el doble de tamaño que la planta. Es posible que la finalidad de la traza fuera la propia construcción de la maqueta, ya que los carpinteros solían necesitar de planos para ello, y la sencilla relación 1:2 facilitaba la translación de medidas entre ambas. Estos vínculos dimensionales se extenderían también a un plano de la fachada oeste del palacio que hoy se conserva en el Metropolitan Museum de Nueva York: el llamado plano “Burlington”, que fue dibujado años después, y que es considerado una copia del alzado original hoy perdido. Este dibujo de fachada tendría un tamaño similar al de la maqueta del palacio, por lo que junto a la planta servirían para formalizar el diseño del palacio, antes del inicio de las obras en 1532. Entre esta fecha y la del encargo de la maqueta en 1528 puede datarse la traza estudiada.
 
Sobre su autoría se ha especulado entre diversos arquitectos italianos de aquel momento, otros españoles como Luis de Vega, que fue arquitecto real, o el pintor Pedro Machuca, que se formó en Italia y participó en las obras hasta su fallecimiento en 1550. También se ha supuesto que el autor pudo ser Diego de Siloé, arquitecto de la catedral granadina, que aparece en la documentación del palacio, supervisando pagos. Este maestro burgalés había viajado por Italia, tenía formación renacentista y conocería los procedimientos gráficos gótico-medievales. Dirigió además la construcción de una maqueta del nuevo proyecto renacentista de la catedral, para la que tuvo que realizar planos, y uno de sus carpinteros se documenta también trabajando en 1539 en la maqueta del palacio. No sería extraño que a Siloé le encargaran también el modelo de madera del nuevo palacio en la Alhambra. ¿Pudo ser este el motivo que le llevó a participar tempranamente en su diseño y a dibujar la traza del Archivo Histórico Nacional?