Der Marmorsaal im 2. Obergeschoss hieß einst Trompetersaal, weil die Musiker über diesen weißgrau gefassten Saal auf die Galerie des Goldenen Saals gelangten. Sein heutiger Name ist auf den bedeutenden Umbau von 1822 bis 1824 durch den Baumeister Johann Georg Barca zurückzuführen. Zusammen mit der Neugestaltung der Räumlichkeiten für den Erbgroßherzog Paul Friedrich und seine Gemahlin Alexandrine im 2. Obergeschoss im Westflügel erhielten die Wandflächen im Saal einen gelb marmorierten Stuckmarmor, der durch weiß marmorierte Pilaster mit Stuckbasen und Kapitellen gegliedert ist. Ein Stuckgesims bildet den Übergang zur Decke, die mit einem vollflächigen Stuckdekor geschmückt ist. Die Türen und vermutlich auch die Fenster und Fußleisten waren in einer Imitation in rötlichem Mahagoni gefasst. Gemäß denkmalpflegerischen Anforderungen sollte der Marmorsaal in entsprechend dieser Fassung restauriert und rekonstruiert werden. Die besondere Herausforderung der Restaurierung des Marmorsaals stellte somit die Anwendung alter Handwerkstechniken dar, wie die Sanierung des Stuckmarmors durch die Stuckateure und das Herstellen der Mahagoniimitationen oder Marmorierung durch die Maler.
Der bereits in einer früheren Baumaßnahme restaurierte Marketerieboden wurde mit Teppichläufern für den Besucherrundgang geschützt. Vom Marmorsaal lässt sich der Altan betreten, der jedoch aus statischen Gründen nicht öffentlich zugänglich ist.
In den Nischen des Marmorsaals standen Rippenheizkörper, die durch nachweisbare Kachelöfen ersetzt wurden. Dazu konnten unter Nutzung der noch vorhandenen Kacheln beide Öfen rekonstruiert und zusätzlich mit Heizschlangen ausgestattet werden. Dadurch wird der Marmorsaal nicht nur durch neue Heizkörper vor den Fenstern, sondern auch durch die Kachelöfen beheizt.

Für die elektrische Ausstattung des Saals konnten vorhandene Installationen weiterverwendet werden. Es wurden weitestgehend nur die Schalter und Steckdosen erneuert. Außerdem erhielt der Saal moderne Deckenleuchter, da die nachweisbaren Kronleuchter erst in einem späteren Bauprojekt rekonstruiert werden sollen.

Historische Fotos belegen, dass in zwei Nischen weiße Stuckfiguren auf weißen Postamenten standen, die sich zuletzt im Goldenen Saal befanden. Diese wurden zurückgeführt und restauriert.