Anche se venne acquistata da Cosimo I de Medici, questa residenza medicea si deve alla volontà del figlio Ferdinando, il quale divenuto granduca nel 1587 affidò a Buontalenti la realizzazione del giardino. Sebbene il disegno manierista sia stato modificato alla fine del Settecento e il vasto bosco a nord sia stato trasformato nell'Ottocento in parco romantico, questo spettacolare giardino ha mantenuto intergro nei secoli il suo impianto generale.

Percorrendo il ripido viale d'ingresso un boschetto di lecci sulla destra introduce al terrazzamento inferiore del giardino. Il vasto parterre che ricorda la forma ellittica di un anfiteatro è spartito in aiuole piantate con alberi di pero nano e reca nei due fuochi due boschetti di lecci bordati di siepi circolari e al centro una fontana anch'essa circolare a tre vasche sovrapposte. Alcune aiuole accolgono un giardino di fiori ottocentesco e una quinta di platani chiude a sud il giardino, cinto da mura per tutto il perimetro della villa. Salendo la scala a doppia rampa si accede al piano del vivaio, dove è la vasca rettangolare ampia quanto la facciata della villa. A sinistra, dove nel '700 era il giardino dei bulbi, è presente un giardino di fiori dove in primavera si può ammirare una fioritura di tulipani e giacinti. Le due rampe ai lati del bacino conducono al piano della villa detto anche Prato della figurina per la presenza della fontana di Fiorenza di Niccolò Tribolo e Pierino da Vinci con statua di Venere del Giambologna qui in copia (l'originale è conservato nella villa) al centro del parterre di destra, qui collocata nel 1785. Il giardino venne risistemato nel 1872 da Ferdinando Lasinio, autore anche del Reposoir, piccolo belvedere neoclassico posto all'estremità est. Il disegno del parterre presenta forme irregolari intorno alle due aiuole ovali, recentemente sono state piantate aiuole fiorite a paniere. A sinistra della villa, dove era il prato dei castagni, è un boschetto di cedri piantati quando nel 1864 la villa divenne residenza del re Vittorio Emanuele II e della moglie morganatica Rosa Vercellana. Il vasto parco retrostante la villa doveva mettere in comunicazione tramite un viale immerso nel bosco questa dimora con la villa medicea di Castello secondo il progetto di Joseph Frietsch (1829) voluto da Pietro Leopoldo II di Lorena. Dal viale principale si diramano tra laghetti, ruscelli e spiazzi erbosi fioriti (soprattutto giunchiglie), sinuosi percorsi immersi nella vegetazione dominata da lecci e cipressi, accanto a querce rosse, roverelle, ornelli e diverse varietà di pini. L'insieme rappresenta un esempio rappresentativo di parco paesaggistico di metà '800. Dal 2013 fa parte del Patrimonio dell'Umanità dell'Unesco.