Fu Giorgio Vasari, nell'edizione del 1568 delle sue Vite dei più eccellenti pittori, scultori e architetti a ricordare per la prima volta la villa. All'epoca il complesso, noto come "I Rinieri" dal cognome dell'illustre famiglia fiorentina che lo possedeva, vantava già una sua dignitosa monumentalità, ancor oggi testimoniata dalla facciata settentrionale e da quella occidentale. Non da meno dovevano essere i giardini che fiancheggiavano questo luogo di piacere posto alle porte di Firenze. Fu proprio per il giardino settentrionale, noto come la "Ragnaia", che fu realizzata la colossale scultura di Fiume, opera di Nicolò Tribolo, la cui originale concezione e raffinata esecuzione le valsero la citazione nell'opera vasariana. Fu in questo nobile edificio, confinante direttamente con la medicea Villa della Petraia, che fu ospitato, nei primi anni del XVII secolo, Robert Dudley. Come rievoca la lapide collocata da John Temple Leader sulla facciata della villa, quì infatti visse sino alla sua morte, avvenuta nel 1649, il celebre cartografo e architetto navale di origine inglese, postosi sotto la protezione dei Medici nel 1606. A lui si devono la razionalizzazione del porto di Livorno, la progettazione di potenti navi da guerra per la lotta contro i barbareschi, e, soprattutto, la redazione del trattato Dell'Arcano del Mare, il primo atlante marittimo moderno mai realizzato. L'opera, dedicata a Ferdinando II, fu stampata a Firenze nel 1646 e fu corredata da ben 130 mappe che illustravano, con una precisione ignota ai portolani realizzati fino ad allora, l'intero mondo conosciuto. La spettacolare raccolta di strumenti scientifici dell'ingegnere navale e geografo inglese, nella quale figurano rari calcolatori di maree, teodoliti e quadranti, dopo essere stata conservata per oltre due secoli nella Sala delle Matematiche della Galleria degli Uffizi, è oggi in parte visibile nel Museo Galileo di Firenze.

L'acquisto della villa da parte di Lucrezia Rinuccini, moglie del marchese Filippo Corsini, avvenuto nel 1697, segnò un passaggio decisivo nella storia del complesso. Fu, infatti, l'esigenza di conferire alla nuova proprietà una monumentalità adeguata all'importanza della famiglia, che comportò un suo radicale rifacimento, finendo col conferire all'edificio la briosa veste tardo barocca che ancor oggi lo caratterizza. Giovan Battista Foggini, incaricato da Filippo Corsini della ristrutturazione della nuova proprietà, anziché cancellare le strutture preesistenti, accolse la difficile sfida di compenetrare l'edificio rinascimentale in un mosso organismo barocco che trova nel crescendo architettonico della zona centrale della facciata il suo punto più alto. Stabilì, inoltre, «un dialogo diretto con il giardino e con il paesaggio intorno mediante precisi rapporti prospettici».

Al rinnovamento dei prospetti esterni corrispose la risistemazione dei volumi interni, gravitanti su un fastoso salone per i ricevimenti che testimonia dell'innnovativa originalità dell'opera del Foggini. Gli affreschi, risalenti al 1801, furono realizzati da Niccolò Contestabile, pittore originario di Pontremoli attivo alla corte di Firenze, e raffigurano paesaggi laziali popolati di antiche rovine; fra questi è possibile riconoscere, ad esempio, il cosiddetto tempio della Sibilla di Tivoli, il mausoleo dei Plautii a Pontelucano e il tempio di Ercole a Cori.

A partire dalla metà del XX secolo, la villa subì un inarrestabile processo di decadenza che neppure il passaggio al demanio statale, perfezionatosi nel 1971, riuscì ad arginare. Solo negli ultimi anni, un difficile e sistematico piano di intervento, che è culminato con il restauro della facciata principale finanziato dall' all'Ente Cassa di Risparmio di Firenze, è riuscito a restituire al complesso il suo originario splendore.

Villa Corsini è oggi anche il prezioso scrigno nel quale è custodita una raccolta di sculture antiche fra le prime a Firenze per numero e qualità dei reperti esposti. Queste statue riunite alla fine del secolo XIX nell'appena costituito Museo Archeologico di Firenze, provenivano in gran parte dalle collezioni degli Uffizi. Trasferite a Villa Corsini nell'ultimo quarto del secolo XX, le sculture, fra le quali sono da annoverare autentici capolavori quali l'Arianna addormentata o il Togato in porfido Egiziano, sono state oggetto di un'attenta opera di catalogazione e risistemazione espositiva, conclusasi con l'inaugurazione, nel 2010, di un percorso museale aperto al pubblico che si snoda attraverso quindici sale monumentali popolate di oltre cento sculture, sarcofagi, epigrafi e rilievi di età etrusca, greca e romana.