La Villa si erge con la sua inconfondibile torre in posizione dominante sulle pendici di Monte Morello degradanti verso la piana con splendida vista su Firenze.

Il lato sud si affaccia sul giardino formale che si sviluppa su tre piani a terrazza sfruttando il pendio del sito: piano dei Parterres, piano del Vivaio e piano della Figurina. Nonostante le modifiche apportate soprattutto nel XVIII e XIX secolo il giardino mantiene ancora intatta la spazialità geometrica dell’originario impianto cinquecentesco, che si deve a Ferdinando I dei Medici, così come documentato nella lunetta di Giusto Utens, oggi conservata, insieme alle altre tredici della serie, nella villa stessa, realizzate su commissione di Ferdinando I per la Villa di Artimino.
A nord invece si estende per numerosi ettari il parco romantico realizzato nell’Ottocento per volere di Leopoldo II di Lorena.

Poco prima della metà del XVI secolo la villa e le sue pertinenze divengono proprietà di Cosimo I, che ne avvierà i primi lavori di ammodernamento per poi passare in eredità al figlio e successore nel Granducato, dopo la morte del fratello Francesco, Ferdinando I, che ne intraprenderà la piena ristrutturazione, trasformando la preesistenza medievale, probabilmente simile a un castello turrito, in quella che diverrà il modello della villa di campagna toscana. Al piano terra fu realizzato il cortile, da sempre fulcro dell’edificio, con le soprastanti logge di ponente e di levante, affrescato con due splendidi cicli pittorici: uno cinquecentesco riferibile a Cosimo Daddi con scene dedicate alle Gesta di Goffredo di Buglione, antenato di Cristina di Lorena consorte di Ferdinando, l’altro voluto dal principe Don Lorenzo, figlio di Cristina e Ferdinando, databile al secondo quarto del Seicento, realizzato da Baldassarre Franceschini detto il Volterrano e raffigurante i Fasti Medicei.

In epoca sabauda, cogliendo l’occasione dei festeggiamenti per il fidanzamento del figlio del Re Emanuele di Mirafiori con Blanche di Larderel, il cortile fu trasformato in salone da ballo con la copertura in vetro e ferro e la chiusura delle logge, oggi di nuovo aperte. Nel Settecento con l’estinguersi della dinastia medicea la Villa era passata ai Lorena, nuovi granduchi, mentre con l’Unità d’Italia Petraia diverrà una delle residenze predilette di Vittorio Emanuele II e di Rosa Vercellana, la bella Rosina, moglie morganatica del Re. A questo periodo si devono alcune trasformazioni che coinvolsero sia l’allestimento degli interni sia il giardino e che fondamentalmente rispecchiano l’assetto attuale. Furono risistemati gli appartamenti al piano terra e al primo piano per accogliere il nuovo regnante e la contessa di Mirafiori, vi si trovano arredi e parati provenienti dalle regge preunitarie confluite nella dotazione della Corona.

Venne inoltre risistemato il cosiddetto piano della Figurina del giardino, quello a livello della villa dalla parte di levante, che prende il nome dalla scultura in bronzo della Venere Fiorenza, capolavoro del Giambologna, posta a coronamento della fontana del Labirinto, qui trasferita dal Giardino della villa di Castello nel 1788, all’epoca di Pietro Leopoldo di Lorena, ed oggi conservata in una stanza all’interno della villa. In una sala al piano terra è esposto anche lo splendido gruppo bronzeo dell’Ammannati raffigurante Ercole e Anteo che coronava la fontana un tempo nel Giardino di Castello, oggi sostituita da una copia.