La costruzione simula una grotta, interamente decorata a mosaico rustico e stucchi. Il pavimento è in maiolica con gigli, mele d’oro e aquile dello stemma estense. Su tutti gli angoli sono collocate cariatidi sorreggenti ceste di mele d’oro (purtroppo non tutte rimaste intatte). Sulla volta, oltre ai motivi decorativi presenti anche sul pavimento, sono collocati riquadri e ovali con scene mitologiche e figure allegoriche. Sulla parete di fondo e raffigurata la vera e propria Grotta di Diana, con fontana nel mezzo e ai cui lati sono sistemate altre cariatidi in coppia.

Sulle pareti compaiono dei bassorilievi, sempre realizzati in mosaico rustico e raffiguranti:

• Perseo e Andromeda
• Diana e Atteone
• Apollo e Dafne
• Pan e Siringa
• Diana e Callisto

tutti raffigurati in episodi tratti dalle Metamorfosi di Ovidio. La Grotta, riccamente decorata, è stata progettata da Curzio Maccarone e portata a compimento da Lola e Paolo Calandrino, tutti artisti provenienti da Bologna e le cui firme sono state composte sul basamento interno della Grotta. E qui che l’arte dei tre artisti, abili mosaicisti, stuccatori e fontanieri, raggiunge il suo livello piu alto, nella complessita dei temi trattati e delle decorazioni elaborate, nella policromia delle tessere di pietre mischie utilizzate, nell’effetto d’insieme, scenografico e suggestivo.

Nella Grotta erano anche collocate, in origine, delle statue romane raffiguranti:

• Diana
• Minerva
• Lucrezia Romana
• un’Amazzone

acquistate da Benedetto xiv per i Musei Capitolini.