La villa, nota con il nome di "villone", fu fatta costruire da Tommaso Puccini nella prima metà del secolo XVIII, con i guadagni che ricavò dalla sua professione di medico, e fu modificata nel corso del tempo fino ad assumere l'attuale aspetto neoclassico.

Nell'Ottocento, Niccolò Puccini, uno dei promotori della Società dei Parentali ai Grandi Italiani, mise a disposizione di Filippo Pacini un microscopio con il quale il grande scienziato pistoiese condusse, proprio nella villa, le prime ricerche anatomiche e istologiche.

L'ampio giardino, realizzato tra il 1821 e il 1844 per volere di Niccolò Puccini, fu arredato con vari edifici, alcuni dei quali dedicati alla scienza: un Pantheon agli Uomini Illustri, un "Tempio di Pitagora", un monumento alla scienza, uno all'industria, un emiciclo dedicato a Galileo Galilei e una colonna sovrastata dalla statua di Carlo Linneo, alla cui memoria fu dedicato il parco. Per la sistemazione della struttura idraulica dei due laghi e dei ruscelli incaricò l'architetto pistoiese Giovanni Gambini, che in quel periodo lavorava anche a villa Celle.

Emanuele Repetti definiva il giardino come un luogo «incantato che difficilmente si potrebbe descrivere come merita». Attualmente esso non si presenta più nelle sue forme originarie ed alcuni suoi monumenti sono scomparsi. Sostanzialmente invariato è rimasto, invece, il Castello Gotico (o Fortezza), uno degli edifici monumentali che arricchiva il giardino e che diventò, dal 1836 dimora abituale di Niccolò Puccini. Come testimoniano accurate descrizioni ottocentesche redatte in occasione della vendita all'asta delle proprietà, la torretta centrale possedeva, oltre ad un parafulmine alla sommità del tetto, curiosi marchingegni che secondo un'aneddotica assai diffusa avrebbero permesso a Niccolò Puccini di non allontanarsi dalla sua camera da letto per ricevere gli ospiti: «Nella parete interna di questa camera trovansi diverse maniglie d'ottone che servano con adattato meccanismo ad aprire e chiudere la finestra, aprire e chiudere il cancello di cinta esterno ed ad altri usi oggi fuori servizio».

Una divisione della proprietà fu originata prima dalla costruzione della strada per Porretta, la nuova via Leopolda (1847), e poi dalla costruzione della strada ferrata Porrettana (1864). L'area che comprende la Fortezza, il tempio gotico, il pantheon e alcuni monumenti, quali quello a Galileo, furono acquistati nel 1867 dall'avvocato fiorentino Oreste Ciampi. La parte rimanente del complesso è oggi destinata a parco pubblico.