La villa fu acquistata alla metà del secolo XVI dalla famiglia Medici. Intorno al 1566-1568, Cosimo I fece ristrutturare il complesso, che donò al figlio Ferdinando I (prima cardinale, poi Granduca) al quale si deve l'ultimazione dei lavori. Il giardino davanti la villa, realizzato su progetto del Tribolo, sorge su tre terrazze sovrapposte, create mediante grandi riporti di terra.

Durante i lavori di ristrutturazione svolti dal Tribolo, furono rifatte le strutture dell'acquedotto che dalle sorgenti di Valcenni portava l'acqua alla Petraia. Nonostante i lavori, la presenza dell'acqua nel giardino non era imponente come a Castello. L'acqua serviva quasi esclusivamente ad irrigare le aree del giardino coltivate con alberi da frutto e piante officinali.

Nella prima metà dell'Ottocento fu creato il parco romantico, su progetto dell'architetto boemo Joseph Frietsch. Il parco ha la funzione di collegare la Petraia e Castello mediante un viale da cui partono vialetti e sentieri che, inerpicandosi sulla collina, costeggiano ruscelli e laghetti. Nel parco, ricco di lecci e cipressi, sono presenti alcuni esemplari di querce rosse e diverse varietà di pini. Sulla facciata della villa si trova una meridiana, in parte dipinta e in parte incisa su un supporto intonacato, dipinto e inciso, ancora oggi integra e funzionante, realizzata poco prima della metà del secolo XVIII. Il complesso della Petraia, abitato fino alla fine del secolo XIX, è oggi di proprietà pubblica ed aperta alle visite.

Alla villa può essere associato anche il nome di Galileo Galilei. Proprio dalla Petraia, Lodovico Incontri inviò a Galileo «due fiaschi di vino d'amaresche della Petraia», invitandolo a informare Sua Altezza nel caso ne avesse desiderati altri. Il 9 maggio 1638, Galileo si dichiarò disponibile a fare visita al Granduca che dimorava presso la villa.