Si deve al gusto di una principessa serba, Catherine Jeanne KeÅŸco Ghika e all'intelligenza di due giardinieri toscani Martino Porcinai (padre del più famoso Pietro) e Luigi Messeri la trasformazione a fine dell'800 del giardino formale sul fianco della villa in uno grandioso parterre d'eau affacciato sul paesaggio e chiuso dall'alta esedra arborea. La spettacolare realizzazione, modello indiscusso di arte topiaria, si innesta sul giardino realizzato da Zanobi Lapi a partire dal 1610 e poi ampliato e trasformato dai Capponi nel primo Settecento.

"Come ha notato Cecil Pinsent (1931), rinomato archietto inglese di giardini, "il giardino deve darci l'impressione che la casa si estenda all'aria aperta, e i suoi diversi aspetti devono celarsi l'uno all'altro in modo che passeggiandovi si venga colti da una serie varia di impressioni più che da un sol colpo d'occhio"¦ Il miglior esempio di questa disposizione l'abbiamo"¦ alla Villa Gamberaia". Un viale ornato da alte siepi di cipresso che fiancheggia sulla sinistra un lungo edificio a due piani dedicato a uffici e biglietteria, conduce lateralmente alla villa, un edificio a pianta quadrata con cortile centrale posto su un terrazzamento erboso cinto verso valle da muretto basso ornato da vasi alternati a statue zoomorfe e a est da un alto muro ritmato da lesene giganti e losanghe. Presenta due facciate identiche con orientamento opposto: la principale a ponente, che domina la campagna verso Firenze, l'altra a levante in asse con il viale della grotta o gabinetto rustico. A questo prospetto si appoggiano due coppie di archi in muratura, quello di sinistra collegato alla cappella. Entrambe le facciate sono a due piani segnate dal bugnato dei cantonali che si ripete nei portali, ambedue affiancati da tre finestre inginocchiate per lato. Dietro la villa si apre longitudinalmente un ampio viale erboso denominato bowling green (o campo di bocce) che percorre l'intero terrazzamento dal Ninfeo a nord fino a una piccola balaustrata ornata di statue aperta sul paesaggio verso l'Arno a sud. Il ninfeo rustico, immerso in un boschetto di cipressi, è concepito come "evocazione di una situazione tellurica" (M. Fagiolo in P. Osmond 2002) e ospita in una nicchia una statua di Pan (o Poseidon ennosigeo). Sul vialone in primavera si può godere la fioritura della collezione di azalee. Perpendicolarmente all'asse della villa, è il viale erboso che conduce alla grotta rustica a esedra con giochi d'acqua ancora funzionanti, è cinto su entrambi i lati da pareti decorate con concrezioni calcaree e conchiglie nelle quali si aprono due scalinate a doppia rampa che salgono verso il giardino degli agrumi, la limonaia e un primo "selvatico" (a sinistra) e verso il secondo "selvatico" (a destra). Sul giardino degli agrumi, delimitato da quattro aiuole a prato con al centro una fontana a vasca circolare, si affaccia una casa con quattro aperture che probabilmente apparteneva al vecchio nucleo quattrocentesco della villa. Affiancata ad essa è la limonaia dove si conserva la collezione di agrumi nei mesi freddi. Le aiuole decorate con bordi misti di piante sempreverdi presentano una straordinaria fioritura di peonie arboree e una controspalliera di rose varietà Albertine. Con un'operazione che farà di questo giardino un indiscusso modello di arte topiaria, la principessa Ghika trasformò il giardino formale barocco posto sul fianco meridionale della villa (il cui disegno è noto attraverso un cabreo settecentesco) in un affascinante parterre d'eau sostituendo i quattro riquadri delle aiuole con vasche delimitate da siepi di bosso spesso doppie e bordate di lavanda, iris, gigli, rose ad alberetto e oleandri, e creando a conclusione un emiciclo-belvedere con vasca semicircolare (dove sono ninfee e piante acquatiche) delimitato da alti cipressi sagomati ad arco a mo' di teatro di verzura che creano spettacolari vedute prospettiche sul paesaggio."