Von Lorenzo dem Prächtigen in Auftrag gegeben und nach einem Projekt von Giuliano da Sangallo zwischen 1484 und 1520 gebaut, blieb die Villa immer die Sommerresidenz der Medici und gab den Hintergrund für wichtige Ereignisse ihre Familiengeschichte. Hier wurden die Hochzeiten zwischen Alessandro de' Medici und Margarete von Österreich (1536), zwischen Cosimo I. und Eleonora da Toledo (1539), zwischen Francesco I. und Bianca Cappello (1579) gefeiert. Zur Zeit Cosimos III. (zweite Hälfte des siebzehnten Jahrhunderts) wurde die Villa mit einem Haustheater im Erdgeschoss ausgestattet, um die Launen von Margherita Luisa d'Orléans zu befriedigen. Prinz Ferdinand machte daraus ein Zentrum für Kunst und Kultur. Nach dem Tode des letzten Medicis ging das Gebäude auf die Familie Habsburg-Lothringen über. Im Laufe der Zeit sind sowohl an der Villa als auch dem Park relevante Änderungen durchgeführt worden. Zwischen 1865 und 1871 (als Florenz Hauptstadt des Italienischen Königreichs war), hielten sich hier Viktor Emanuel II. und die Gräfin Mirafiori auf. Die Villa ist das erste Beispiel einer herrschaftlichen Villa der Renaissance und öffnet sich einem großen Garten mit daran angeschlossenem neoklassischem Gewächshaus und den im Jahr 2000 restaurierten Stallungen, die derzeit als Bibliothek und Kongresszentrum genutzt werden. Die Fassade wird von einer weitläufigen Terrasse gebildet, die von Arkaden des Sockelgeschosses gestützt und einem von einem Tempelgiebel überdachten Portikus gekennzeichnet wird. Die geschwungene zweiläufige Treppe, die zum ersten Stock führt, ist zwischen 1807 und 1811 nach einem Entwurf von Pasquale Poccianti ausgeführt worden. Im Untergeschoss befinden sich das Hoftheater, der Fest-, bzw. Billardsaal und das sog. Appartement von Bianca Cappello. Im ersten Stock befinden sich das "Camera da Campo" (Feldlagerzimmer) von Viktor Emanuel (mit besonderen Klappmöbeln eines Feldlagers eingerichtet) und der Saal mit den originalen Tafeln der Giebelfeldverzierung aus emaillierter Terrakotta und einer Länge von 14 Metern. Der Saal Leo X. blickt auf den Portikus und wird von einem imposanten Freskenzyklus umgeben, der von Pontormo, Franciabigio, Alessandro Allori und Andrea del Sarto realisiert worden ist. Außer dem Saal befinden sich hier noch der Esssaal, das Appartement von Viktor Emanuel und das Appartement der Gräfin Mirafiori sowie das im neoklassischen Stil realisierte Badezimmer.

Ab 2007 hat das Museum des Stilllebens in sechzehn Sälen des zweiten Stocks seinen Sitz in der Villa gefunden, in dem neben Fresken auch Musikinstrumente und kunstgewerbliche Gegenstände sowie ständig etwa 200 Gemälde aus dem späten sechzehnten Jahrhundert bis Mitte des achtzehnten Jahrhunderts zu sehen sind.
Seit 2013 ist die Villa von der UNESCO zum Weltkulturerbe erklärt worden.