Attorno al 1485, Lorenzo il Magnifico affidò il progetto della costruzione della nuova villa all’architetto Giuliano da Sangallo che, seguendo gli insegnamenti di Filippo Brunelleschi e di Leon Battista Alberti, oltre che di Vitruvio, il cui trattato di architettura ebbe in quegli anni un’importante edizione a stampa, concepì il prototipo della villa rinascimentale, che sarà il modello anche per le dimore signorili dei secoli successivi. Lorenzo de’ Medici intendeva far costruire un edificio che fosse al centro della vasta tenuta, comprendente anche il centro produttivo delle Cascine. Questa villa doveva essere un luogo di evasione dalla città, dove ristorarsi lontano dagli impegni politici in un ambiente ameno, circondato dal silenzio e dalla natura. La villa di Poggio a Caiano si offre totalmente aperta sul paesaggio, verso cui si protende con il suo ampio porticato a pian terreno, quasi a inglobarlo e a creare una continuità unica. Non esiste più il cortile interno, fulcro attorno a cui ruotava tutta la costruzione medievale, ma, al suo posto, il grande salone al primo piano diventa il centro propulsore delle forme architettoniche che vi si sviluppano intorno. E proprio in questo rinnovato schema planimetrico è da ricercare la grande sensazione che la dimora del Magnifico procurò nei contemporanei. La villa, inoltre, presenta a filo della facciata, al primo piano, un portico di pietra serena, a sei colonne ioniche, sormontato da un frontone recante al centro l’arme dei Medici e decorato per tutta la lunghezza della base da un fregio in terracotta policroma.
In origine, le scale esterne, che portano alla loggia, erano a due rampe dritte; furono ricostruite nell’attuale forma semicircolare dall’architetto Pasquale Poccianti, attorno al 1807.
Nel 1492, alla morte di Lorenzo il Magnifico, l’edificio era compiuto per un terzo e solo con l’elezione al pontificato del suo figlio più giovane Giovanni, divenuto Leone X, la villa fu terminata e furono iniziate le decorazioni interne. Da allora la villa diventò luogo di ricevimento per gli ospiti importanti e per le spose medicee. Con la fine della dinastia medicea, nel 1737, passò ai Lorena, con la parentesi napoleonica dal 1800 al 1814, quando divenne proprietà della Regina d’Etruria e, in seguito, di Elisa Bonaparte Baciocchi. Dopo l’annessione della Toscana alla monarchia sabauda, la villa entrò a far parte dei possedimenti del re Vittorio Emanuele II, che, negli anni di Firenze capitale (1865-70), la fece restaurare (da artisti piemontesi) e la scelse, spesso, come luogo di villeggiatura; dai Savoia fu donata allo Stato nel 1919. Durante la seconda guerra mondiale, divenne luogo di ricovero per molte opere artistiche e storiche.
Nel 1969 è stata restaurata e aperta al pubblico. Nella Villa Medicea di Poggio a Caiano è stato inaugurato, nel 2007, il Museo della Natura Morta. I 200 dipinti esposti raccontano la storia di una grande collezione, la più importante
d’Europa nel suo genere, messa insieme con passione dai Granduchi di Toscana, tra Seicento e Settecento, raccogliendo opere di artisti italiani, fiamminghi e olandesi. La maggior parte delle opere esposte è visibile al pubblico per la prima volta, perché conservate, fino a tempi molto recenti, nei depositi degli Uffizi e di Palazzo Pitti.