La villa, già documentata alla fine del secolo XIV, appartenne alla famiglia Segni sino alla metà del Settecento. In origine si chiamava "di Bellosguardo", dal nome della collina sulla quale è ubicata, ma cambiò nome quando nel 1815, la contessa Teresa Spinelli Albizi, nuova proprietaria, durante i lavori di restauro fece collocare nel giardino un piccolo padiglione di ferro in stile cinese a forma di "ombrellino". Nel 1874 la proprietà fu acquistata dalla famiglia Zoubow che, unendola alla contigua villa della Torricella, fece trasformare i due giardini in un grande parco romantico ricco di specie esotiche come palme, bambù, cedri e ginko biloba. Nella prima metà del Novecento la parte del parco disposto verso Firenze fu trasformata in un giardino all'italiana dall'architetto inglese Cecil Pinsent.

La villa, che ha avuto numerosi ospiti illustri, fu abitata dal 1617 al 1631 da Galileo Galilei, che qui scrisse Il Saggiatore e il Dialogo sui massimi sistemi, prima di trasferirsi ad Arcetri. Galileo, che non amava vivere in città, abitò sempre tra Bellosguardo e Arcetri. Tra il 1616 e il 1617 effettuò a Bellosguardo una serie di osservazioni astronomiche sui moti medi dei satelliti di Giove (pianeti medicei) ed elaborò le Tavole relative. Insieme a Benedetto Castelli osservò anche le stelle nella coda della costellazione dell'Orsa Maggiore.

Nella loggia di ingresso un busto e una lapide commemorativa ricordano il soggiorno del grande scienziato pisano. Recentemente restaurata, la villa ospita varie manifestazioni e un centro congressi.