Gelegen op een strategische positie op een hoogte tussen Florence en Pistoia, werd de Medici-villa van Poggio a Caiano gebouwd in opdracht van Lorenzo il Magnifico op de resten van een middeleeuws kasteel dat toebehoorde aan Palla di Noferi Strozzi.

Tussen 1470 en 1474 gaf Lorenzo opdracht aan Sangallo, zijn lievelingsarchitect, om een voorname plattelendsresidentie te bouwen volgens de architectonische normen geformuleerd door Leon Battista Alberti.
Met de dood van Lorenzo il Magnifico, in 1492, waren de werkzaamheden nog niet voltooid en tussen 1495 en 1513 onderging het een stilstand ten gevolge van de verbanning van de Medici uit Florence.
In 1513 werden de werkzaamheden hervat door Giovanni, de zoon van Lorenzo il Magnifico, die ondertussen gekozen werd als Paus onder de naam Leone X, en werden in 1521 voltooid.

De villa, gedecoreerd met fresco’s van Filippo Lippi, van de Pontormo, van Andrea del Sarto en van Alessandro Allori, werd tientallen jaren gebruikt als zomerverblijf van de familie Medici. Hier werden bovendien de vele buitenlandse bruiden verwelkomd door de beroemde florentijnse familie, voordat zij naar Florence togen; en tevens werden in Poggio a Caiano belangrijke bruiloften gevierd, voornamelijk die tussen Francesco I en Bianca Cappello.

Na de dood van Giangastone de’ Medici kwam de villa in handen van de Asburgo-Lorena, die het bleven gebruiken als zomerverblijf.

In de negentiende eeuw, en voornamelijk in de periode van de napoleontische overheersing, onderging de villa een reeks veranderingen, werk van Pasquale Poccianti, terwijl de internen werden gedecoreerd met fresco’s van de pratese schilder Luigi Catani.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd de villa, die de Savoia in 1919 schonken aan de italiaanse Staat, gebruikt als opslagplaats voor kunstwerken en schuilplaats van het volk tijdens de bombardementen.