Questa residenza in affitto venne consigliata a Galileo dalla figlia Suor Maria Celeste (nata Virginia), che era monaca francescana nel convento di San Matteo in Arcetri con la sorella: i campi del convento e della villa infatti erano confinanti. Ci sono restate 124 lettere della figlia dirette a Galileo (le risposte dello scienziato invece furono probabilmente distrutte) ed è conservato anche l'inventario dei beni posseduti da Galileo nella villa dopo la sua morte (all'Archivio di Stato di Firenze). I libri di Galileo si trovano oggi alla Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze e sono state oggetto di un'esposizione in occasione delle celebrazioni galileiane del 2009.
Qui Galileo visse dopo l'abiura (1633), confinato agli arresti domiciliari, e subì il sopravvenire della cecità (1638), continuando però a scrivere alcune delle sue opere più rilevanti. Nel 1634 sopportò la dolorosa perdita della figlia prediletta, ma continuò a lavorare ai Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, dove presentava le sue teorie sulla resistenza dei materiali e sul moto.
Poco tempo dopo che Galileo si stabilì a Arcetri ricevette la visita di Ferdinando II de' Medici e anche del pittore Giusto Sustermans che dipinse il ritratto più celebre dello scienziato. Altri visitatori furono l'ambasciatore degli Stati d'Olanda (Galileo ebbe stampati molti dei suoi libri a Leida) o il poeta inglese John Milton. Spesso frequentava la villa l'allievo Castelli, mentre i giovani Vincenzo Viviani ed Evangelista Torricelli assistettero Galileo fino alla morte.
La villa ha una forma a "U", che abbraccia il cortile centrale, chiuso da un muro sul lato verso il podere. Il cortile presenta un loggiato a due ordini sui due lati corti, con colonne tuscaniche senza archi o volte. La facciata sulla strada è molto sobria, con alcune finestre quadrangolari con cornici di pietra serena. Qui si trova il busto dell'astronomo, con epigrafe, (1843) e un'altra lapide posta nel 1942.
