L'imponente villa fu commissionata dal Granduca Ferdinando I de' Medici a Bernardo Buontalenti. Divenne nota anche con il nome di "La Ferdinanda" o "Villa dei Cento Camini" per la caratteristica serie di camini dalle varie forme che svettano sul tetto. Voluta come residenza di caccia, la villa ospitò spesso la corte granducale. Al suo interno furono collocate nel salone detto "delle ville" le diciassette lunette (oggi conservate nel Museo "Firenze com'era") raffiguranti le residenze medicee che il fiammingo Giusto Utens dipinse alla fine del secolo XVI. Fu allora che la villa, con la raccolta iconografica, divenne il centro ideale dei possedimenti medicei nel contado fiorentino.

La villa è anche un "luogo galileiano": dal 24 giugno al 23 agosto del 1608, la Corte si trattenne ad Artimino e Galileo Galilei vi si recò in agosto, invitato dal Granduca Ferdinando I de' Medici per istruire nelle matematiche il figlio (futuro Granduca Cosimo II). La villa fu anche il teatro di molte esperienze dell'Accademia del Cimento. Nel settembre del 1657 vi furono, infatti, compiute numerose misurazioni dell'umidità atmosferica in diverse condizioni meteorologiche utilizzando l'igrometro a condensazione. Inoltre, nelle campagne circostanti, gli accademici effettuarono esperimenti barometrici per verificare la variazione della pressione atmosferica al variare dell'altitudine.