Les Salutati vendirent la Villa La Petraia aux Médicis dans la première moitié du XVIème siècle - après avoir été auparavant déjà le domaine des familles Brunelleschi et Strozzi - puis Cosme Ier la donna à son fils Ferdinand en 1568.

Ce dernier, qui devint Grand Duc de Toscane en 1587, à la mort de son frère François, la fit agrandir et y apporta quantité de changements, surtout dans le jardin.

Au cours du XVIIème siècle, les successeurs de Ferdinand se concentrèrent essentiellement sur la décoration de l’intérieur, y apportant des cycles de fresques, tandis que les Habsbourg-Lorraine renouvelèrent le mobilier des pièces et apportèrent au parc d’ultérieures modifications.

En 1829, Joseph Fritsch, chargé par Pierre Léopold II de Habsbourg-Lorraine de créer « un pont » entre les villas La Petraia et la Villa de Castello, réalisa les jardins à l’anglaise que l’on peut admirer aujourd’hui encore.

Une fois devenue résidence de Victor Emmanuel II, la villa fut meublée et décorée de plus belle.

En 1919, elle fut transmise à l’État italien, qui l’assigna à l’Opera Nazionale Combattenti (œuvre nationale des anciens combattants). De retour entre les mains de l’État dans les années 60, elle fut sujette à de vastes projets de restauration.