Lorenzo il Magnifico fu il committente di questa magnifica villa. Fu Lorenzo stesso a incaricare l’architetto Giuliano da Sangallo di realizzare la nuova struttura su delle precedenti costruzioni rurali acquistate nel 1474. La villa si trova alle pendici del monte Albano, tra Firenze, Prato e Pistoia ed è collocata in posizione rialzata rispetto alla campagna, è costeggiata dai torrenti e si trova all'interno della grande area agricola. che le consentiva di essere totalmente autosufficiente. Lorenzo amava a tal punto la residenza di Poggio a Caiano e la sua felice campagna circostante da dedicarle un poemetto, “Ambra”, composto nel 1486.
La villa, alta su un basamento a portico, aperta su ogni lato verso il giardino e il paesaggio circostante, rispecchia le tendenze umanistiche dell'architettura ispirata all'antico del periodo.
La costruzione, iniziata intorno al 1485, rimase interrotta alla morte di Lorenzo avvenuta nel 1492. 
I lavori ripresero per volontà del papa Leone X, figlio di Lorenzo, nella seconda metà del Cinquecento. In questa occasione venne completato il salone centrale, successivamente a lui intitolato, e splendidamente decorato con affreschi allegorici, celebrativi della famiglia Medici, eseguiti da Andrea del Sarto, Pontormo, Franciabigio, Alessandro Allori.
Dal giugno 2007, nel secondo piano della villa, è allestito il Museo della Natura Morta, nel quale sono stati riunite opere pittoriche commissionate nel tempo dalla famiglia granducale e aventi soggetto naturalistico.