Costruita a partire dal 1413 da Paolo Guinigi, Signore di Lucca, la villa, costituita da una imponente costruzione in laterizio, era cinta da un grande giardino, ricco di orti, pomarii, voliere e fontane; originariamente posta fuori dalle mura come "residenza di campagna", venne successivamente inglobata all'interno della nuova cinta muraria. Nel 1430 la villa passò alla Repubblica lucchese. Dopo varie vicissitudini che ne alterarono l'aspetto, nel 1924 divenne sede di un Museo Civico. Negli anni successivi alla Seconda Guerra Mondiale fu restaurata ripristinandone l'aspetto originario e, nel 1968, il Museo Civico fu trasformato in Museo Nazionale. Il Museo si propone di illustrare il percorso storico-artistico di Lucca e del suo contado. Le collezione principali comprendono, infatti, una raccolta archeologica con reperti preistorici, etruschi e romani, una raccolta di sculture e dipinti dal Medioevo al Barocco e una raccolta di arredi sacri e tessuti.

Dal punto di vista scientifico, il Museo conserva apparati provenienti dall'Ospedale di San Luca (in deposito presso la Pinacoteca Nazionale di Palazzo Mansi) e alcuni strumenti di misura sette-ottocenteschi. Possiede, inoltre, una collezione di strumenti per la misurazione del peso e delle lunghezze in uso nel territorio lucchese nel secolo XIX (gli oggetti sono attualmente in deposito nel sottotetto di Villa Guinigi e non sono visibili).