La Villa Medicea sorge a Camugliano, un centro di origine feudale situato a circa tre km dal centro di Ponsacco. È originaria del XVI secolo e rappresenta una traccia indelebile del dominio mediceo esercitato sul contado pisano per più di due secoli.

Una villa nei pressi di Camugliano è segnalata già nel 980, in un atto con il quale il vescovo di Lucca Guido la concede insieme ad altri beni ad un certo Teudegrimo figlio di Farolfo. In epoca medievale, il borgo subisce numerose devastazioni, da parte dei Fiorentini nel 1313 e dei soldati milanesi dei Visconti nel 1345. Solo con l'avvento dei Medici l'area inizia a prosperare, anche grazie all'opera di bonifica delle aree palustri effettuata da Matteo Botti verso la fine del Cinquecento. È proprio nella parte alta della sua tenuta che sorge la villa.
I lavori per la costruzione del complesso erano stati avviati nel 1533, per volere del duca Alessandro de' Medici, ma l'opera viene portata a compimento dal Granduca Cosimo I. Caratteristica peculiare della villa è la fusione di elementi tipici dei luoghi di villeggiatura dell'epoca con elementi militari. Il complesso ha infatti una pianta quadrangolare ed è sormontato da torri. Anche le strutture adiacenti ad esso vengono concepite con la funzione di scuderie e caserme.
Questa fisionomia così particolare tornerà utile ai Medici in occasione delle insurrezioni di Pisa e dei centri del Valdarno, avvenute nel 1494 e nel 1530. Successivamente la villa viene donata a Giuliano Gondi, come ricompensa per la sua fedeltà ai Medici e acquistata da Matteo Botti nel 1568. Questi trasforma l'area circostante in una tenuta agricola. Nel 1620 la villa torna di proprietà dei Medici fino all'istituzione del marchesato di Camugliano e Ponsacco, quando viene concessa, insieme agli territori del comune di Ponsacco, al nobile Filippo Niccolini, la cui famiglia dominerà sulla zona fino al 1781.