Eerst toebehorend aan de familie Brunelleschi en daarna aan de Strozzi, werd villa La Petraia verkocht door de Salutati aan de Medici in de eerste helft van de XVIe eeuw. Cosimo I schonk het aan zijn zoon Ferdinando in 1568.

Ferdinando, die na de dood van zijn broer Francesco Groothertog van Toscane werd in 1587, liet de villa vergroten en bracht er aanzienlijke veranderingen aan, vooral wat de tuin betreft.

In de zeventiende eeuw wijdden de opvolgers van Ferdinando zich voornamelijk aan de internen met frescocycli, terwijl de Lorena erin voorzagen om de kamers te herinrichten en brachten enkele meubels in de tuin.

In 1829 realiseerde Joseph Frietsch, opgedragen door Pietro Leopoldo II van Lorena, om de twee villa’s van Castello en Petraia te verbinden, een engelse tuin die ook vandaag nog te bewonderen is.

Nadat Vittorio Emanuele II er de residentie kreeg, werd de villa opnieuw ingericht en gedecoreerd.

In 1919 werd het aan de staat geschonken, die het toekende aan de Opera Nazionale Combattenti (werken van de nationale strijders). Terug in het bezit van de italiaanse staat in de jaren 60, was de villa een belangrijk herstelobject.