Quello che all’epoca era solo un modesto appezzamento agricolo fuori dalle mura gianicolensi, la cosiddetta Villa Vecchia, venne acquistata dal nobile Panfilo Pamphili il 23 ottobre 1630. Tra il 1644 e il 1652, mentre la famiglia Pamphili otteneva prestigio grazie al pontificato di Innocenzo X, fu affidata la progettazione della Villa Nuova allo scultore Alessandro Algardi e al pittore Giovanni Francesco Grimaldi, con la collaborazione del botanico Tobia Aldini per quanto riguardava i giardini.

Nel 1849 la villa fu teatro di una delle più cruente battaglie per la difesa della Repubblica Romana: le truppe francesi il 2 giugno occuparono villa Corsini, e il giorno successivo le truppe garibaldine tentarono invano di riconquistarla. Durante uno degli assalti morì il colonnello Angelo Masina e fu ferito a morte Goffredo Mameli, autore dei versi dell’inno nazionale italiano.

Nel 1856 la villa fu unita alla confinante Villa Corsini e tutto il complesso venne trasformato in una grande azienda agricola. Iniziati i primi espropri da parte del Comune di Roma nel 1939, il nucleo originario della villa fu acquistato dallo Stato Italiano nel 1957. Oltre 168 ettari furono acquisiti dalla municipalità romana; la parte occidentale nel 1965 e la restante nel 1971, con apertura al pubblico nel 1972.

Rimane proprietà della famiglia Doria-Pamphilj la cappella funeraria opera di Edoardo Collamarini.