Die Villa della Petraia besteht aus einem italienischen Garten, einer romantischen Parkanlage rund um die Villa sowie einem Museum, das sowohl aufgrund seiner Architektur als auch seiner noch erhaltenen Möblierung äußerst interessant ist. Der derzeitige Grundriss wurde während der Herrschaft der Grafen von Savoyen angelegt.

Das alte Schloss, das bereits seit 1362 besteht, wechselte mehrmals seinen Besitzer (Brunelleschi, Strozzi, Alessandra dei Bardi, Salutati) und wurde schließlich von den Medici erworben, als sie 1530 nach Florenz zurückkehrten. Im Jahre 1568 übertrug Cosimo I. das Schloss seinem Sohn, Kardinal Ferdinando, der sie zu einer Villa aus- und umbaute; nach dem Tod seines Bruders Francesco I (1587) wurde er Großherzog von Toskana. Der allgemeine architektonische Grundriss, der typisch für den Stil von Buontalenti ist, geht auf Davide Fortini zurück und wurde später durch dekorative Elemente und Wandmalereien seiner Besitzer ergänzt. Die beiden Freskenzyklen, die die Wände des Innenhofs vollständig bedecken, stammen aus der Zeit der Medici. Der Hauptteil des ersten Freskos von Cosimo Daddi, das die Frau Ferdinandos, Christine von Lothringen, in Auftrag gegeben hat, zeigt die Taten von Gottfried von Bouillon während der Belagerung von Jerusalem. Mit dem zweiten Fresko beauftragte Lorenzo I. de' Medici Baldassare Franceschini, genannt Volterrano. Auf den Wandfeldern unter den beiden Loggias illustriert es Stationen aus dem Leben der Medici und kann daher zu Recht als eines der repräsentativsten Beispiele florentinischer Malerei des frühen 17. Jh. gesehen werden. Die Ausschmückung der Kapelle im ersten Stock hat ebenso Ferdinando in Auftrag gegeben; sie wird Bernardino Poccetti zugeschrieben.

Die Wandmalereien in der Kapelle im ersten Stock und in einigen Zimmern entstanden erst während der Herrschaft der Lothringer, wohingegen das Schloss seine heutige Gestalt (die Glas-Eisen-Konstruktion, die den Hof überdacht, seine Umwandlung in einen großen Ballsaal und die Anordnung der Möbel) dem Haus Savoyen zu verdanken hat. Zu diesem Zwecke brachten die Savoyer verschiedene Stoffe und Einrichtungsgegenstände aus ihren Residenzen in Turin, Modena, Lucca und Parma mit.

Auch der weitläufige Garten rund um die Villa zeugt von den diversen historischen Einflüssen auf das Gebäude. Der Grundriss, der eindeutig dem 16. Jh. zuzuschreiben ist, wurde durch Anbauten im 18./19. Jh. erweitert, z.B. durch die sogenannte „Piano della figurina“, einen Garten, der mit der Brunnenfigur der Venus Fiorenza (Niccolò Tribolo, Pierino da Vinci und Giambologna) geschmückt ist, sowie der englische Garten an der Nordseite, der dem typischen, im 19. Jh. vorherrschenden romantischen Geschmack entspricht.