La villa faceva parte originariamente del complesso di Villa Giulia e seguirà i destini delle ville limitrofe. Nel 1702 la villa Cesi, sulla via Flaminia, veniva ceduta ai Sinibaldi, che la possedettero sino al 1781, anno in cui fu acquistata dal principe Stanislao Poniatowski, nipote di Stanislao Augusto, re di Polonia. Questi voleva realizzare appena fuori la Porta del Popolo un complesso di delizia quale nuova residenza.
Nel 1803 il principe acquistò una nuova vigna limitrofa, che si estendeva sulle colline sino quasi alle mura della città e nel 1807 ampliò ancora i suoi possedimenti acquisendo un appezzamento posto tra la via Flaminia e i colli Parioli.
Il Poniatowski affidò i lavori per la sistemazione dei vari complessi al Valadier, che era allo stesso tempo impegnato nella ristrutturazione di Piazza del Popolo.
Nel 1800 furono iniziati i lavori dell’edificio principale ma il complesso raggiunse la sua massima grandezza nel 1807. Il Valadier si occupò quindi dell’abbellimento della villa e del nuovo vasto giardino, tenendo conto della disposizione degli edifici in rapporto agli oggetti antiquari, sparsi tra i viali.
Secondo quanto si legge in un opuscolo del 1821, il complesso comprendeva lungo il muro di confine con la via Flaminia il Casino di Strada, un piccolo edificio originariamente a due piani, ampliato dal Valadier, che si apriva all’ultimo piano in una loggetta coperta. Dal giardino si accedeva inoltre alla Loggia delle Delizie, un viale sopraelevato in cui erano state collocate numerose statue antiche. Vi era inoltre un casino di mezzo, alle pendici delle colline e un casino detto del Monte, edificio in seguito ceduto al Vagnuzzi, da cui ha preso il
nome. Nel 1825 la villa Poniatowski fu acquistata dal pittore napoletano Carelli e da questi ceduta alla famiglia dei Riganti che la lottizzarono, mentre nella parte alta della proprietà fu edificata Villa Strohl-Fern. Dal 1997 al 2010 il complesso è stato oggetto di sistematici interventi di restauro e di lavori per l'adeguamento degli spazi in funzione museale.