В 1453 г. Мантенья сблизился с семейством венецианских живописцев Беллини, женившись на девушке из этого рода. В 1459 г. художник переехал в Мантую, где до конца жизни оставался придворным мастером герцога Лодовико Гонзага и где были созданы его главные произведения. В «Св. Себастьяне» (ок. 1460—70 гг.) фигура святого, привязанного к мраморной колонне, уподоблена каменному изваянию. В то же время Мантенья, один из немногих ренессансных художников, не боится показать физические страдания мученика, чьё тело пронзено множеством стрел, а одна из них пробила насквозь голову святого.

      Темой знаменитых росписей в «Камере дельи Спози» замка Сан-Джорджо в Мантуе (1474) стало прославление семьи Гонзага. Боковые стены расписаны сценами из придворной жизни, обрамлёнными тяжёлыми живописными портьерами. Потолки украшены медальонами, символами дома Гонзага, гирляндами из цветов и фруктов. В центре находится изображение круглого окна, зрительно «прорывающего» потолок и открывающего голубое небо с облаками. Через балюстраду «окна» в комнату заглядывают дамы и крылатые пухлые путти, двое из которых перелезли через ограду и стоят прямо над головой зрителей. Найденный Мантеньей иллюзионистический мотив предвосхищает барочные плафоны. Полотно «Мёртвый Христос» (после 1474 г.) до сих пор поражает необычным смелым ракурсом и трагической неприкрашенностью. Героическим римским духом овеяны монохромные картоны из цикла «Триумф Цезаря» (1485—88, 1490—92). В 1497 г. были написаны две аллегорико-мифологические композиции для Изабеллы д’Эсте («Парнас»