La villa presenta una pianta a ferro di cavallo, con due corpi sporgenti che delimitano un cortile porticato a due piani, e un basso muro che originariamente chiudeva una corte-giardino. La facciata principale, rivolta a sud-ovest verso l’Amiata e la Maremma, è caratterizzata da tre ordini di finestre con cornici in pietra serena e da una lunga panca lapidea che corre lungo tutto il perimetro, elemento distintivo delle residenze peruzziane.

La villa era in origine decorata con affreschi e motivi dipinti sulla facciata, come riferisce Fabio Chigi (futuro papa Alessandro VII) nei suoi Commentarii del 1625, ma tali pitture, deterioratesi col tempo, non furono più restaurate.

Gli interni, oggi in gran parte spogli, conservano tracce di splendidi soffitti a volta affrescati nel secondo decennio del Cinquecento, con motivi di grottesche, stucchi e medaglioni ispirati alla cultura romana e alla riscoperta della Domus Aurea. Le decorazioni, attribuite a pittori della cerchia peruzziana (forse Giorgio di Giovanni o Antonio da Caravaggio), celebrano la grandezza dei Chigi e i loro legami con il papato.

Due iscrizioni ricordano momenti significativi della storia della villa: la prima, datata 1505, segna la conclusione dei lavori; la seconda commemora la visita di Papa Giulio II nel 1510-1511, evento che sancì il legame tra i Chigi e la famiglia Della Rovere, suggellato dal diritto di unire i due stemmi.

Tra gli elementi di pregio figurano due pozzi decorati – uno in travertino e tufo con volta a cassettoni dipinti, l’altro ornato da amorini scolpiti che sostengono lo stemma Chigi-Della Rovere – e il giardino originariamente impostato su linee asimmetriche, con percorsi sinuosi e vedute prospettiche improvvise.