במחצית הראשונה של המאה השש-עשרה הפכה הווילה לרכוש של משפחת סלוטטי (Salutati), שמכרה את הווילה לקוזימו הראשון דה מדיצ'י, הדוכס הגדול של טוסקנה (1519–1574) בסביבות שנת 1544, שנתן אותה לבנו, הקרדינל פרדיננדו בשנת 1568. עבודות הרחבה החלו כבר מ-1566 אבל רק לאחר שפרדיננדו הפך לדוכס הגדול של טוסקנה בשנת 1587, החל המהפך בפועל מבניין שהיה דומה למצודה של אציל מימי הביניים לבית מגורים הראוי לנסיך.
משנת 1588 היה עשור של עבודות שעם חפירות אדמה גדולות הפכו את הטבע ה"סלעי" של המקום (שהוא מקור השם פטראיה, "המלא באבנים"), לנוף של רצף של טרסות הנשלטות על ידי החלק המסיבי של הבניין הראשי.
עיצוב הווילה מיוחס מסורתית לברנרדו בואונטלנטי, אם כי התיעוד הוודאי היחיד של הנוכחות באתר הבניין הוא של רפאלו פאני (Raffaello Pagni). הווילה אורגנה מחדש והוגדלה סביב המגדל המרכזי מהמאה הארבע עשרה, שהפך לבלוודרה (מהמאה התשע-עשרה יש גם שעון), אך השינויים העיקריים קשורים לגן, שהפך לשלוש הטרסות הגדולות החופפות לפני הווילה. הרקע והסגנון נובעים מהשינויים שנעשו כמה שנים קודם לכן בווילה מדיצ'י ברומא, שם העביר פרדיננדו את רוב חייו כקרדינל (לשעבר). יש בידינו שחזור נאמן של מראה הגנים של אותה תקופה כפי שהיו בלונטה של ג'וסטו אוטנס, המתוארכת לשנים 1599–1602 (שעד 2010 הייתה שוכנת במוזיאון פירנצה): בטרסה הראשונה היה בוסתן של צמחים ננסיים, תופעה נדירה שעוררה עניין בחצרות האצולה האירופיים האחרים. הטרסה השנייה, "קומת המשתלה" (Piano del Vivaio), נשלטה על ידי אגן מרכזי גדול, עם שני גרמי מדרגות בצדדים, והיו בה ערוגות פרחים עם צמחי מרפא שנשתלו על פי עיצובים גאומטריים, עם שני בניינים עם לוג'יות בצדדים. בטרסה השלישית, הגדולה ביותר, היו שני אזורים סגלגלים גדולים, עם עצים ומעברים מקורים; ברחבי הגן היו גם עצי הדר בעציצים לאורך קירות ההיקף, שמחוץ להם הורחב היער הטבעי.
הווילה שימשה בעיקר כבית מגורים, בהשוואה לתפקוד הייצוגי של הווילה די קסטלו או לתפקיד אחוזת ציד של הווילות הרבות שבמורדות מונטה אלבנו (Monte Albano). עובדה זו מסבירה את נוכחותם של צמחים שימושיים, ולא של צמחי נוי, ואת היעדר הפסלים והמזרקות.
לאחר חתונת הדוכס הגדול בשנת 1589, הווילה ניתנה לאשתו, כריסטינה מלורן. ציורי הקיר של ברנרדינו פוצ'טי (Bernardino Poccetti) בקפלה הפרטית וציורי הקיר החגיגיים של בית לורן מאת קוזימו דדי (Cosimo Daddi) מתוארכים לתקופה זו.
המאה השבע עשרה: בני המדיצ'י האחרונים.
הווילה עברה לדון לורנצו דה מדיצ'י (אחיו של קוזימו השני דה מדיצ'י, הדוכס הגדול של טוסקנה) בשנת 1609, שהעשיר אותה בסדרת ציורי הקיר המכונה "Medici Fasti" (או תהילת בית מדיצ'י), יצירת מופת מאת בלדאסרה פרנצ'שיני הידוע יותר בכינויו איל וולטרנו (Il Volterrano), אשר עדיין מקשטת את החצר (1637–1646). הסצנות הומצאו על פי הצעתו של פייר פרנצ'סקו רינוצ'יני, סדרת כרזות גדולות בעלות נושא היסטורי שפיארו את משפחת מדיצ'י. סדרת ציורי קיר חשובה זו, מבחינת וילות מדיצ'י, היא שנייה רק לסדרת הציורים באולם לאו העשירי בווילה פוג'ו א קאיאנו, שגם היא קשורה לחגיגת עלילות מדיצ'י דרך סצנות מההיסטוריה הרומית.
דון לורנצו דה מדיצ'י אסף כאן גלריית תמונות יקרה, ואילו קוזימו השלישי אחראי לציורי קיר בביצועם של פייר דנדיני ורינאלדו בוטי בקפלה החדשה בערך בשנת 1696.
המאות השמונה עשרה והתשע עשרה: בית לורן.
עם המאה החדשה איבדו בעליה של הווילה עניין בה, עד כדי כך שהיא שהופשטה מחפציה בהדרגה. נסיך קראון שהיה העוצר של הדוכסות מטעם פרנץ הראשון, קיסר האימפריה הרומית הקדושה משנת 1737, מצא אותה מלנכולית וריקה.
משפחת לורן עיצבה מחדש את החדרים ושיקמה את ריהוט הווילה: נוצר חדר משחקים, חדר עם אוסף ציורים סיניים בצבעי מים שרכש הדוכס הגדול לאופולד השני, קיסר האימפריה הרומית הקדושה ב-1785, והגן שוחזר מחדש. לווילה הועברה מזרקת פירנצה, שהוכנה על ידי ניקולו טריבולו, פיירינו דה וינצ'י וג'אמבולוניה, שהכין את פסל הברונזה של ונוס (שהוחלפה כעת בעותק). היא הועברה מהגן של וילה די קסטלו לגן המזרחי של הווילה, הקרוי מאז "Piano della figurina" (קומת הפסל). בשנת 1816 פיקח האדריכל ג'וזפה מנאטי (Giuseppe Manetti) על כמה עבודות שיקום ומודרניזציה.
הפארק הרומנטי האנגלי מתוארך לשנת 1829, אז לאופולד השני, הדוכס הגדול של טוסקנה העסיק את יוזף פריטש (Joseph Frietsch), גנן מבוהמיה שהיה אחראי לחידוש הגן בווילה די פראטולינו. דרך הכרכרות הגדולה המחברת בין וילה לה פטראיה ווילה די קסטלו מתוארכת גם היא לאותה תקופה (1833).
בית סבויה.
בתקופת שלטון בית סבויה הפכה הווילה למקום מגוריהם של ויטוריו אמנואלה השני, מלך איטליה ורוזה ורצ'לנה, אשתו בנישואים מורגנטיים, שאהבה מאוד את לה פטראיה. הווילה רוהטה מחדש, הפעם בסדרת רהיטים משובחים שמשפחת סבויה "ירשה" מבתי המלוכה של מדינות איטליה הקודמות לאחר איחוד איטליה. כך הגיעו רהיטים, שטיחים, ציורים וטפטים אחרים מהווילות והארמונות המלכותיים של לוקה, מודנה, פיאצ'נצה ווילות מדיצ'י אחרות. בשנת 1911 נערך רישום מלאי של הריהוט, שהיה המקור העיקרי לשחזור מתווה הריהוט לתצוגת המוזיאון העכשווי; תקרות רבות עוצבו גם הן עם עיטורי סטוקו לבנים ומוזהבים וציורי גריזיי. גרם המדרגות הוחלף, והותקנה מערכת חימום באוויר חם, כולם על ידי אדריכלי בית המלוכה, פאביו נוטי (Fabio Nuti) מטורינו וג'וזפה ג'ארדי (Giuseppe Giardi).
עם זאת, השינוי הבולט ביותר של אותה תקופה היה כיסוי החצר המרכזית במבנה אוורירי מפלדה וזכוכית, שנוצר בשנת 1872 לרגל חתונתו של בן המלך, אמנואלה די מיראפיורי, שהפך את החצר לאולם למסיבות ואירועים חגיגיים. פתרון זה התגלה גם כמיטבי לשמירה על ציורי הקיר בחצר ומבלי שהפחית את התאורה בחצר, ואף הוסיף מבנה בעל ערך אדריכלי. מאוחר יותר "הועתק" פתרון זה גם לחצרות פתוחים אחרים, כמו קלויסטר הנדרים (Chiostrino dei Voti) בבזיליקה סנטיסימה אנונציאטה (Santissima Annunziata) בפירנצה.
במקביל הותקנו שני כלובי ציפורים ב"קומת הפסל" על פי תכנון של פרדיננדו לאסיניו, שאבדו מאז, אך כלובים דומים נותרו מהתקופה במקומות אחרים.
המאה העשרים, והמאה העשרים ואחת.
בשנת 1919 נתרמה הווילה למדינה האיטלקית, אשר ייעדה אותה, כמו וילות אחרות, לארגון החיילים המשוחררים (Opera Nazionale Combattenti), שמימן את פעילותו באמצעות מכירת הרכוש של רהיטים והציורים, אך גם על ידי מכירת האדמה עצמה שהייתה חלק מהפארק העצום. הווילה חזרה למדינה בשנות השישים של המאה הקודמת, ומאז, לאחר 1984 עם הקמת המוזיאון הלאומי, היא הייתה נושא לפרויקט התאוששות איטי ותובעני הן לחלקים המבניים והן לריהוט.
מזרקת פירנצה, עם פסל הברונזה בראשו של ג'אמבולוניה, פורקה והוחלפה בהעתק במרכז החצר המקורה, שם נמצאים גם כמה פסלים מווילה די קסטלו הסמוכה.
חלקים שונים בווילה עוברים שיקום לאט לאט, כשהתכנון הוא לשקם את המרתפים עם המטבחים העתיקים, וחדרים מסוימים בהם יש כוונה להציג את הדגמים שנוצרו לתערוכת הגינון משנת 1931, סדרה מעניינת של דגמים של גנים זעירים שנמצאו במחסני הווילה.
הווילה.
קומת הקרקע.
החצר המרכזית.
אחרי פרוזדור שמוביל לכמה חדרים משניים, מגיעים לחצר המקורה ומפוארת, והיא לב ליבה של הווילה.
בשני הקירות הראשיים הסצנות המתארות את "עלילותיו של גוטפריד מבויון בכיבוש ירושלים" הם של קוזימו דדי ומתוארכות לסביבות 1590. תחת הלוג'יות הצדדיות במקום מוצגת סדרת הציורים המכונה "Medici Fasti" (או תהילת בית מדיצ'י), יצירת מופת מאת איל וולטרנו (Il Volterrano), שצוירה בין 1637 ל-1646. משמאל הסצנות הן:
גג הברזל והזכוכית, נברשת גבישי האמטיסט הגדולה והרצפה מתוארכים לשנת 1872 כאשר החצר הפכה לאולם למסיבות.
החדרים האחרים.
דרך דלת מצד ימין נכנסים לחדר האוכל הגדול, הקרוי "חדר שטיחי הקיר" או "החדר האדום", בו תלויים כמה שטיחי קיר פלמיים מהמאה ה-17. הנושאים בשטיחים הארוגים הם ארבעת האלמנטים, ארבע העונות, חודשי מאי ויוני וקוזימו השני המקבל את מחוות הכבוד של הסנאט, האחרון הוכן בפירנצה בשנת 1655 על ידי אגוסטינו מליסי (Agostino Melissi).
החדר הבא, "אולם המוזיקה", מקבל את שמו מהפסנתר-הרמוניום הגדול שנבנה בנאפולי בשנת 1868. הקירות מכוסים בקטיפה צרפתית, ואילו השעון הצרפתי מברונזה מוזהבת מ-1770 הוא בעל ערך מיוחד. הרהיטים העתיקים מתוארכים בעיקר לסגנון האימפריה, האופייני לעשור הראשון של המאה התשע עשרה.
"הקפלה החדשה", הקרויה כך להבדיל אותה מהקודמת, הישנה יותר, שנמצאת בקומה הראשונה, הייתה בעבר חדר השינה של הדוכס הגדול קוזימו השלישי הדתי. ציורי הקיר בקפלה הם על נושאים דתיים שיצרו פייר דנדיני ורינאלדו בוטי בסביבות שנת 1696, ולכן החדר נחשב כמאה שנים לאחר מכן כמתאים יותר למקום תפילה, למעשה החדר הוקדש ונבנה מזבח שבראשו היום שם הוא העתק של הציור "המשפחה הקדושה" מאת אנדריאה דל סרטו.
מהצד הימני של החצר יש גישה לשני חדרים המוקדשים לפסלים שנלקחו מסיבות שימור מהפארק ומהגן של וילה די קסטלו הסמוכה.