Situata su un colle confinante con le regione di interesse strategico del Padule di Fucecchio, la villa fu costruita su un precedente castello dei conti Guidi, che lasciarono il loro nome alla località. L'edificazione si deve a Cosimo I, che fece creare una residenza di caccia piuttosto semplice verso il 1555, subito dopo l'inclusione della cittadina nei possedimenti del ducato di Toscana.
L'architetto incaricato della progettazione non è conosciuto con certezza. Per attribuzione si indica Bernardo Buontalenti, per confronto con altre opere dell'artista. La sua mano sarebbe particolarmente evidente nella realizzazione delle due enormi rampe di scale simmetriche a zig-zag, che si ritrovano anche in altri suoi progetti, e che danno alla villa un imponente aspetto di fortezza. Studi recenti hanno però riconosciuto le rampe come eseguite in un secondo momento rispetto al corpo della villa, che verrebbero a inquadrarsi dopo l'elaborazione di Pratolino (1569-1575) e del Forte di Belvedere (1590-1595).
In alcune sale soprattutto al pian terreno sono sopravvissuti degli affreschi decorativi risalenti soprattutto al periodo neoclassico, così come la veduta con rovine che si trova nella loggia settentrionale.
La villa ha al suo interno oggi collezioni eterogenee, di varia provenienza, che spaziano da un lapidario romano, uno romanico-gotico, dipinti dal Medioevo al Settecento (tra cui opere pregevoli di Guercino, Lavinia Fontana, ecc.), arredi e oggetti d'arte italiani e islamici.
L'arredo attuale della villa è stato ricostituito seguendo per quanto possibile le descrizioni presenti negli inventari storici. Una parte degli arredi antichi (risalenti al Sei, Sette e Ottocento) proviene dai depositi della Soprintendenza fiorentina, mente un'altra parte fa parte di un lascito del 1844 dell'antiquario Antonio Conti, o di quello di Stefano Bardini (acquisto dello Stato del 1996). Sono stati esposti quattro arazzi con le Stagioni, che sebbene non originariamente a Cerreto, possono dare un'idea delle tappezzerie che un tempo decoravano la villa.
Il ritratto a figura intera di Isabella de' Medici ricorda il luogo dove presumibilmente essa venne assassinata e fino al saccheggio compiuto durante la seconda guerra mondiale si conservava anche quello che era ritenuto il cappio usato per l'assassinio. Altri ritratti medicei sono quello di Cosimo I nell'abito dell'incoronazione, avvenuta il 5 marzo 1570 e quello di Don Francesco de' Medici in corsaletto (1615 circa).
