La villa si trova nella zona dalla quale erano originari i Medici e fu una delle prime residenze (se non la primissima) che essi fecero costruire fuori Firenze. Appartenne infatti già a Giovanni di Bicci de' Medici, il patriarca delle fortune familiari. La tenuta era in una posizione strategica, dall'alto di un poggio che dominava la Val di Sieve, ad una confluenza viaria (Trebbio significa infatti "trivio" cioè un punto dal quale, a differenza del "bivio", si dipanano tre strade).

Dopo la sua morte (1428) il figlio Cosimo de' Medici fece ristrutturare al suo architetto Michelozzo quello che doveva assomigliare a un castello fortificato. Il Vasari la indica come seconda a essere ristrutturata, dopo la Villa di Cafaggiolo e prima di quella di Careggi, anche se studi recenti hanno appurato che la prima assoluta fu il Trebbio, i cui lavori si dovrebbero essere svolti tra il 1427 e il 1433.

L'impianto della villa è ancora legato alla maniera di fortificazione medievale, piuttosto che di luogo ameno e ordinato di spirito umanistico-rinascimentale. Non è facile distinguere le strutture originarie da quelle dell'intervento di Michelozzo, anche se sembra probabile che quanto meno a livello planimetrico le preesistenze hanno influito sulle strutture importanti. Michelozzo mantenne o ricostruì la torretta di guardia, dalla struttura solida e priva di finestre, aggiungendovi il camminamento con beccatelli (come nel perimetro esterno), e conservando anche altri elementi tipicamente "castellani" come il fossato e il ponte levatoio. Al centro vi si trova un cortile con pozzo.

La Villa fu ampliata da Cosimo I, che amava andare a caccia nella sua tenuta, e da suo figlio Ferdinando I, che la unì ad altri possedimenti. Ferdinando II la vendette nel 1644 a un ricco fiorentino, Giuliano Serragli, il quale la cedette poi ai padri filippini. Nell'Ottocento vennero demolite le case rurali addossate alla villa per far posto a un bosco di cipressi. Il giardino antistante la villa, con le rose e le siepi di bosso risale al Novecento.