Appartenuta prima alla famiglia Brunelleschi e quindi agli Strozzi, villa La Petraia fu venduta dai Salutati ai Medici nella prima metà del XVI secolo. Cosimo I la donò al figlio Ferdinando nel 1568.

Ferdinando, che divenne Granduca di Toscana nel 1587 alla morte del fratello Francesco, fece ampliare la villa e vi apportò notevoli modifiche, che riguardarono soprattutto il giardino.

Nel Seicento i successori di Ferdinando si dedicarono soprattutto alla decorazione degli interni con cicli di affreschi, mentre i Lorena provvidero a riarredare le stanze e apportarono alcune modifiche al giardino.

Nel 1829 Joseph Frietsch, incaricato da Pietro Leopoldo II di Lorena di unire le due ville di Castello e della Petraia, realizzò il giardino all`inglese che si può ammirare ancora oggi.

Divenuta la residenza di Vittorio Emanuele II, la villa fu nuovamente riarredata e ridecorata.

Nel 1919 fu quindi donata allo stato italiano, che l`assegnò all`Opera Nazionale Combattenti. Ritornata in possesso dello stato italiano negli anni `60, la villa è stata oggetto di un importante progetto di recupero.