La Petraia è considerata una delle più belle ville medicee, e gode di una posizione panoramica che domina la città di Firenze. L’antico edificio fortificato, nucelo originario del complesso di cui rimane la grande torre, dal 1364 appartenne alla famiglia Brunelleschi. Cosimo I de’ Medici lo acquistò per donarlo al figlio cardinale Ferdinando che alla fine del Cinquecento diede disposizione di ampliarlo e trasformarlo in una villa creando una serie di terrazze nel terreno circostante per ricavarne il bellissimo giardino. L’aggiunta di un corpo a Nord, il rialzamento della torre e la creazione di un cortile interno delimitato da due porticati e due logge definirono l’aspetto della dimora che subì nuove modifiche quando don Lorenzo de’ Medici la ereditò. Nella prima metà del Seicento il Volterrano fu chiamato a realizzare il ciclo di affreschi che decora l’interno del cortile centrale esaltando i fasti della casata e l’azione dei cavalieri di Santo Stefano. La celebre scultura in bronzo del Giambologna raffigurante Venere-Fiorenza, che completava l'omonima fontana della villa di Castello, venne invece trasferita alla Petraia e collocata nel giardino tra il 1783 e il 1785. Oggi i visitatori possono ammirarla all'interno della Villa dove è stata spostata per garantirne meglio la conservazione.
Nell’Ottocento fu completato il giardino dove vennero costruiti anche la limonaia e il tiepidario, e all’epoca di Firenze capitale d’Italia il cortile fu trasformato in sala da ballo attraverso l’aggiunta di un lucernario di ferro e vetro.
Dal 1984 la Villa è sede del Museo Nazionale e dal 2013 è bene protetto dall’UNESCO.