La grotta, accessibile dal secondo terrazzamento del giardino, si sviluppa in un ambiente a pianta cruciforme: è un ninfeo a camera con impianto a croce che si articola nel vestibolo d’entrata in una coppia di nicchie parietali, nel corpo centrale in due fontane e in una loggia coperta affacciata a sud-ovest. Seppur largamente interessato da lacune e perdite, il complesso decorativo a mosaico rustico polimaterico (pietre mischie, incrostazioni di conchiglie, graniglia di pasta vitrea, impiego di concrezioni calcaree per la resa delle fontane), completato dall’utilizzo dello stucco per i rilievi figurati e le cariatidi canefore, ricopre interamente le pareti e il soffitto della grotta, andando a sconfinare nella loggetta. Lo splendido pavimento originario in mattonelle di maiolica dipinta si è conservato solo davanti alle due fontane, collocate rispettivamente nelle pareti est e sud. Derivati dalle Metamorfosi di Ovidio, i temi iconografici identificati si legano alla mitologia classica con gli episodi di Perseo e Andromeda, del Ratto d’Europa, di Diana e Atteone, di Apollo e Dafne, di Minerva e Nettuno e di Minerva e le Muse, sino alla recente restituzione della vicenda dei Niobidi nella volta presso la loggia. L’apparato decorativo polimaterico è frammentato da innumerevoli partiture con cassettoni, girali, candelabre, tropaion, emblemi araldici riferiti alla casata estense (i gigli dorati e l’aquila bianca), mascheroni e cornucopie in un ricchissimo repertorio ornamentale tenuto assieme dall’ubiquo motivo del melo intrecciato con i pomi dorati delle Esperidi. Se entro la partizione decorativa della volta si trovano riquadri e ovali con scene e figure mitologiche, nel registro parietale dei bracci di sinistra e destra sono modellati a rilievo in grandi scomparti alcuni degli episodi ovidiani, mentre nel vestibolo di accesso la coppia di nicchie vuote custodiva in origine sculture antiche. La parete di fondo con la fontana maggiore, arricchita ai lati da coppie di canefore, ospita il ninfeo dedicato a Diana, mentre la fontana minore del braccio sinistro accoglieva la copia romana di Athena Promachos, ora ai Musei Capitolini