Nella villa nacque e morì Lorenzo il Magnifico (1449-1492), il quale ereditò la villa dal nonno dopo la breve parentesi del governo di suo padre Piero il Gottoso. Lorenzo elesse Careggi come sua residenza preferita e qui vi fece riunire il circolo dell'Accademia Neoplatonica, organizzando nella villa il centro culturale e artistico del primo Rinascimento per eccellenza. Tra i frequentatori dell'Accademia vi erano i maggiori umanisti dell'epoca: Marsilio Ficino, Agnolo Poliziano e Pico della Mirandola.
Oggi la villa ospita alcuni uffici della vicina struttura ospedaliera, per cui solo pochi ambienti sono visitabili, comunque sono tutti molto significativi. Al primo piano si apre il cortile di Michelozzo. Ha una forma trapezoidale che segue il profilo del palazzo, il quale a sua volta era stato edificato seguendo il percorso della via principale che lo costeggiava. Al centro vi si trova un pozzo che probabilmente risale all'assetto trecentesco, mentre due loggiati si aprono sui lati nord e est con arcate a tutto sesto, sorrette da colonne con capitello a foglie d'acqua; sugli altri lati sono presenti uno "sporto" (vano di passaggio per i piani superiori) e un ballatoio, sorretti da pilastri ottagonali con capitelli geometrici, tipici dello stile di Michelozzo.
Dal cortile si accede al Salone del piano terreno. Questo ambiente risale al primo Seicento, alle ristrutturazioni voluta dal Cardinale Carlo de' Medici. È interamente decorato ad affresco ed in particolare attirano l'attenzione le 16 lunette (cinque nei lati maggiori, tre in quelli minori, con quella centrale occupata dalla stemma mediceo) decorate con paesaggini, vedute immaginarie, marine, scene con rovine, giardini, fontane e piccole figure. Si distinguono le due vedute di Villa Medici a Roma, allora proprietà del Cardinale Carlo, e alcune scene tratte dalla Gerusalemme liberata di Torquato Tasso, usate per celebrare allegoricamente le imprese contro i Turchi di suo fratello il Granduca Cosimo III. Le lunette sono inquadrate in un sistema complesso di decorazioni pittoriche murarie, con cornici, putti, festoni, elementi vegetali e animali. Da un punto di vista stilistico, queste pitture riprendono la corrente dal tratto veloce e nervoso, "impressionistico", della pittura di paesaggio tra il XVI e il XVII secolo.
Dal salone si raggiungono gli ambienti nella loggia al piano terreno, con le grandi arcate sul giardino ormai chiuse da vetrate. Qui si trova un grande affresco ottocentesco di George Frederic Watts raffigurante l'Uccisione del medico di Lorenzo il Magnifico nel pozzo della villa (1845), un episodio quasi leggendario che sarebbe stato causato dalla rabbia contro colui che non aveva saputo curate il grande mecenate e benefattore cittadino.
