Nel Trecento quella che oggi è conosciuta come Villa Gamberaia apparteneva alle monache benedettine di San Martino a Mensola. Alla fine dello stesso secolo la tenuta fu acquistata Matteo di Domenico Gamberelli, predecessore di Antonio e Bernardo Rossellino, quindi nel 1610 passò nelle mani di Zanobi Lapi. Furono poi i Capponi, che divennero proprietari della villa nel 1718, a darle l`aspetto attuale.

Nell`Ottocento la villa fu oggetto di molti passaggi di proprietà e visse anche periodi di decadenza. Nel 1896 fu acquistata dalla principessa Giovanna Ghykha, sorella della regina di Serbia, che ne rimase proprietaria fino al 1925 e avviò un`importante opera di restauro.

Durante la Seconda Guerra Mondiale la villa fu pesantemente danneggiata e quindi venne ceduta al Vaticano. Nel 1952 fu quindi acquistata da Marcello e Nerina Marchi, che nel 1954, basandosi su vecchi documenti, iniziarono lunghi lavori di restauro, che si conclusero sei anni più tardi. Attualmente la villa è di proprietà della famiglia Zalum.