In de veertiende eeuw behoorde dat wat tegenwoordig bekend is als Villa Gamberaia toe aan de benedictine nonnen van San Martino a Mensola. Aan het einde van dezelfde eeuw werd het landgoed gekocht door Matteo di Domenico Gamberelli, voorganger van Antonio en Bernardo Rosselino, vervolgens kwam het in 1610 in handen van Zanobi Lapi. Het waren vervolgens de Capponi, die de eigenaars werden van de villa in 1718, die het het actuele aspect gaven.

In de negentiende eeuw was de villa onderwerp van vele wisselingen van eigenaars en beleefde tevens periodes van verwaarlozing. In 1896 werd de villa gekocht door de prinses Giovanna Ghykha, zus van de koningin van Servie, die eigenaar van de villa bleef tot 1925 en belangrijke restauratiewerkzaamheden startte.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd de villa ernstig beschadigd en werd het afgestaan aan het Vaticaan. In 1952 werd het vervolgens gekocht door Marcello en Nerina Marchi, die in 1954, zich baserend op oude documenten, lange restauratiewerkzaamheden begonnen, die zes jaar later voltooid waren. Tegenwoordig is de villa eigendom van de familie Zalum.