Villa Pitiana si trova a 430 mt sul livello del mare e con la sua poderosa struttura divide gli ultimi ulivi del Valdarno dal secolare arboreto di Vallombrosa.
Il 3 Luglio 1039 la Badessa Itta del monastero di S. Ellero, donava a S. Giovanni Gualberto il terreno di Vallombrosa, ma per il loro sostentamento dovette aggiungere a questo terreno un podere con orto e vigna a Pitiana. Nei due secoli successivi tra acquisti e donazioni, tra cui quella di Matilde di Canossa, l'Abbazia di Vallombrosa entrava in possesso di quasi tutte le terre tra il Pratomagno e l'Arno. Pitiana, antica curtis dominica, che si trovava sul luogo dell'attuale villa, diventa uno dei quattro centri amministrativi di questo territorio. Il ruolo militare fino al 1000 ricoperto dai castelli, con l'aumento della popolazione e la necessità di incrementare la produzione agricola, viene svolto dalle grandi fattorie fortificate, come dimostrato dal crescente numero delle rocche feudali presenti sul territorio fiorentino, che da 52 dell' XI secolo salgono a 205 nel XIII. Nella metà del 1200 Pitiana, per la sua posizione strategica, fu al centro degli scontri fra Guelfi e Ghibellini fiorentini. All'epoca le fattorie fortificate erano opere architettoniche studiate, non frutto di esperienze o improvvisazione accettabile per le case coloniche; la villa rispecchiava il decoro o il censo del proprietario e progetti o restauri venivano affidati ai migliori architetti ed ingegneri.
Gli investimenti immobiliari in questo settore erano talmente importanti che persino LeonBattista Alberti dedica nei dieci libri del De Re Aedificatoria, un ampio spazio all'architettura e alla logistica di questi edifici specificando luoghi e funzioni per ogni necessità del proprietario in maniera così dettagliata da restare il punto di riferimento architettonico-funzionale fino alla fine del 1700.
La parte più antica di Villa Pitiana è certamente una "casa da signore" - così chiamate queste costruzioni fortificate, caratterizzate dalla presenza di un'alta torre, non diversa dalle case-torri di S. Gimignano - databile al Trecento. Essa comprende la parte della villa che, spalle alla valle, si trova alla Vostra sinistra. Pitiana è costruita in "filaretto", vale a dire in quella tecnica muraria che in francese si chiama petit appareil, file di piccoli conci di pietraforte a vista. Si tratta di una massiccia torre rettangolare e di due cortili, uno più piccolo in comunicazione con la parte ottocentesca, l'altro, collegato al primo per un passaggio arcuato, caratterizzato da un porticato che gira su due lati.
Il porticato è sorretto da pilastri ottagonali con capitelli cubici scantonati, che reggono archi a pieno sesto (ma la sagoma esterna della ghiera è acuta acquisendo probabilmente la nuova architettura a sesto acuto appena introdotta dai monaci Cistercensi). Il porticato è diviso in sei campate a basse crociere senza costoloni, riconducibili anch'esse alla matrice geometrica cistercense basata sull'esagramma, simbolizzato dalla stella a sei punte, lo scudo di Davide simbolo dell'alleanza tra Dio e l'uomo. Infatti è riconosciuto che la presenza di monaci provenienti dalle abbazie di Vallombrosa e di Camaldoli abbiano avuto un ruolo importante nella diffusione del movimento cistercense in Italia ed è la conferma della forte presenza monastica all'inizio della storia di Pitiana.
La parte più antica della villa, che si può confrontare con altre antiche fattorie fortificate vicine come Altomena o Ristonchi e con la torre del Castellano, è però pervenuta in una versione compromessa da modifiche e pesanti ripristini - probabilmente del 1931 - ai quali si deve tra l'altro il rifacimento quasi completo delle incorniciature delle finestre (ma rimangono nella muratura tracce delle finestre originali).
Nell'estate del 1483 Lorenzo il Magnifico de' Medici tentò invano di acquistare dal generale Biagio Milanesi, Villa Pitiana. Il primo impulso fu sicuramente la redditività economica delle terre di Pitiana, ma non meno importante fu la posizione con l'ampio panorama circolare che avrebbe permesso di mettere la villa all'interno della rete di trasmettitori luminosi creata dall'"architetto" Lorenzo con le sue ville. Rimane il piacevole sospetto che una parte dei successivi lavori di ampliamento della villa, possa essersi basata su progetti e disegni di Lorenzo e Giuliano da San Gallo realizzati durante le infruttuose trattative.
Dal secolo XV al XVII, l'agricoltura toscana attraversa uno dei suoi momenti più oscuri. Il potere politico ormai controllato da mercanti e banchieri sostiene le attività commerciali a danno delle agricole. Francesco Lami ne "La bonifica della collina tipica toscana da G. B. Landeschi a C. Ridolfi" , scrive: "Il possesso delle terre si avviava ad essere il privilegio di pochi; il trapasso di esse si rendeva ogn'or più difficile; ogni sorta di servitù si riversava sulle coltivazioni e sui coltivatori, sempre più tenuti in dispregio; l'arte agraria, nonché progredire ed assimilare i nuovi suggerimenti di colture intensive, andava necessariamente affievolendosi."
Dal punto di vista urbanistico ed architettonico le cose vanno diversamente. L'interesse dei nuovi signori non è rivolto alla produttività della terra ma si esprime in termini di piacere e ostentazione del lusso. Le fattorie fortificate diventano grandiose ville e dimore storiche, gli architetti studiano anche i giardini e il terreno intorno alla villa diviene luogo di memorabili battute di caccia. Pitiana a giusto titolo fa parte di questo Rinascimento, nel 1610, come indica la data impressa su una lapide fu aggiunta l'ala posteriore, con la facciata a tre piani (l'inferiore con finestre chiuse da grate, il mediano con finestre quadrate decorate da basi di pietra serena modanate, il superiore con finestre semplici prive di decorazioni). Benché questa parte inglobi, in basso, anche le vecchie cantine, mostra la nuova funzione avvicinandosi al luogo di soggiorno per i monaci di Vallombrosa.
La parte seicentesca di Villa Pitiana può essere confrontata con la stessa abbazia di Vallombrosa, la cui facciata è datata nella parte destra pure al 1610 ed è opera di Alfonso Parigi: a lui direttamente, o al suo influsso, si dovrà riferire anche la costruzione di Pitiana, nella quale predominano elementi austeri ancora tardorinascimentali, che il Parigi, e dopo di lui il Silvani, mutuava dall'Ammannati e dal Buontalenti. Proprio a quest'ultimo con il progetto delle ville di Artimino e dell'Ambrogiana, si deve la conclusione della trasformazione della fattoria fortificata in villa-fattoria. Di questo stesso periodo è lo stemma tardomanierista col bastone di San Giovanni Gualberto e la mitra (simbolo della dignità vescovile dell'abate di Vallombrosa) che si trova nel cortile maggiore di Pitiana. Nel XVIII secolo, come testimoniano le date poste su due portali, furono arrecate modifiche di minore entità: nel cortile piccolo il portale in pietra serena, decorato da bugnato a diamente, che dà accesso alla torre trecentesca, è datato nella chiave d'arco 1747; il portale esterno che dà accesso da Sud-Est (destra venendo da davanti la facciata) a un andito che porta al cortile maggiore e alla cappella, è datato MDCCXLII (1742). A questa data saranno da riferire anche le due graziose panche in pietra serena dell'andito, e l'intera cappella. Questa è un modesto ma decoroso esempio di arte Rococò, con stucchi bianchi su intonaco color caffelatte. All'altare è una tela raffigurante San Giovanni Gualberto, attribuibile, visto lo strettissimo rapporto tra Pitiana e l'abbazia di Vallombrosa, a Ignazio Hugford, autore di molte opere presenti in quest'ultima.
Con l'avvento al potere di Pietro Leopoldo e con la fondazione della Società Botanica e dell'Accademia dei Georgofili, l'agricoltura diventa oggetto di studi sistematici e di una pesante politica di intervento pubblico.
Ildebrando Imberciadori ne "Campagna Toscana nel '700" scrive: "Fu ordinato ai comuni, proprietari di vaste estensioni terriere, di distribuirle o in donazione o in livello perpetuo per tenuissimo canone alle famiglie che si recassero a coltivarle. E, per ridurre le difficoltà, dipendenti da scarsezza di denaro e mancanza di abitazioni, fu disposto che i richiedenti quei terreni avessero in assegnazione le case in abbandono o fossero forniti di denaro per prenderle in affitto; per agevolare la fabbricazione di nuove abitazioni, furono concessi arnesi rustici e ferro a prezzo molto basso, il legname gratuito e il rimborso di un quarto della spesa per costruzioni adibite ad uso esclusivamente rurale."
Il fatto che da un inventario dei beni dell'abbazia di Vallombrosa del 1790 risulti che la fattoria di Pitiana comprendeva 36 poderi, una casa per il "guardia", due fornaci e un lungo elenco di animali e masserizie rende lecito supporre che le soppressioni leopoldine non siano state applicate per la grande cura e l'amore che avevano i monaci nella gestione di questa proprietà.
Nel 1808, con l'annessione della Toscana all'Impero di Napoleone, l'abbazia di Vallombrosa fu soppressa e tutti i suoi possedimenti, inclusa Pitiana, furono alienati a privati, per rinsanguare le casse dello stato - eccetto la foresta che rimase demaniale. Tuttavia la chiesa riuscì a rientrare in possesso, per un breve periodo, di Pitiana: nel 1841 Emanuele Repetti nel "Dizionario geografico, fisico, storico della Toscana", attesta che essa era divisa fra i frati conventuali Francescani di Firenze e la Fraternita secolare di Arezzo. L'altra fattoria di Pitiana nominata dal Repetti è quella annessa alla pieve, che era stata dal 1308 dell'arcispedale fiorentino di Santa Maria Nuova - possesso confermato nel 1558 - poi era passata ai Gesuiti, e dopo la sopprressione di quell'ordine alla metà del Settecento, ai Marchesi Pucci, dai quali passò infine ai Guicciardini che tuttora la posseggono.
Villa Pitiana dovette più tardi nell'Ottocento passare ai Grottanelli perché è segnata con quel nome in molte vecchie carte geografiche.
Di quest'epoca esistono nel cortile maggiore vari monumentali orci di terracotta imprunetana, un tempo usati per conservarvi l'olio: uno di essi reca la data 1840; tre sono opera firmata Giovanni Vanni, uno F.D.S. Nistri, uno F.S.N. Alla fine dell' Ottocento la fattoria di Pitiana si trasforma definitivamente in villa e acquista la facciata monumentale, anche se la parte posteriore continuava fino a tempi recenti a essere una vera fattoria.
La parte nuova è architettonicamente ancora nello stile accademico di derivazione rinascimentale, influenzato da quanto a Firenze verso gli anni 1865-70 aveva progettato e realizzato Giuseppe Poggi. Questo stile convenzionale, apprezzato dal ceto possidente agrario toscano ideologicamente conservatore resiste a lungo, per cui non c'è da meravigliarsi se qui lo troviamo applicato nel 1897 (questa è la data che si legge sull'architrave della porta di sinistra nel salone di ingresso). Neorinascimentali sono le cinque sale del piano terreno e quelle soprastanti, nonché il sontuoso scalone.
Ma nella stessa epoca imperversava il gusto Liberty ed ecco che le decorazioni pittoriche delle sale di rappresentanza, quasi in contrasto con l'architettura, mostrano già una apertura al nuovo stile. Tardo ottocentesco è anche il parco all'inglese ed i tre cancelli (di cui quello di sinistra è murato): l'accesso centrale è decorato da aquile in terracotta, quello per andare alla fattoria da leoni accucciati.
Ai primi del Novecento la ferrovia che portava da S. Ellero al Saltino passava vicino a Villa Pitiana; ne resta ancora la stazione.
Nel 1931 furono fatti altri lavori, la cui entità è difficilmente misurabile (sono documentati dalla scritta sul portale di destra nella sala d'ingresso): probabilmente si tratta della fine dei lavori iniziati nel 1897, col ripristino delle parti medievali e le trasformazioni interne.