Im 14. Jahrhundert befand sich das, was heute als Villa Gamberaia bekannt ist, im Besitz der Benediktinerinnen von San Martino a Mensola. Am Ende des gleichen Jahrhunderts wurde das Anwesen von Matteo di Domenico Gamberelli erworben, Vorgänger von Antonio und Bernardo Rossellino, und ging im Jahre 1610 in die Hände von Zanobi Lapi über. Es waren dann die Capponi, die im Jahre 1718 Besitzer der Villa wurden, die ihr das heutige Aussehen gaben.

Im 19. Jahrhundert war die Villa das Objekt zahlreicher Eigentümerwechsel und erlebte auch Zeiten des Verfalls. Im Jahre 1896 wurde sie von der Prinzessin Giovanni Ghykha erworben, der Schwester der Königin von Serbien, die bis zum Jahre 1925 deren Eigentümerin blieb und ein bedeutendes Restaurierungsprojekt in Angriff nahm.

Während des Zweiten Weltkrieges wurde die Villa stark beschädigt und danach an den Vatikan abgetreten. Im Jahre 1952 wurde sie dann von Marcello und Nerina Marchi erworben, die im Jahre 1954, sich auf alte Dokumente basierend, lange Restaurierungsarbeiten begannen, die sechs Jahre später beendet waren. Zum aktuellen Zeitpunkt befindet die Villa sich im Besitz der Familie Zalum.