Construits pour Éléonore de Tolède, épouse de Cosme I de Médicis, les jardins furent commencés par Niccolò Tribolo, qui cependant mourut en 1550, peu de temps après avoir accepté cette charge. Les travaux furent poursuivis par Bartolomeo Ammanati, qui utilisa pour ce projet les contributions de Giorgio Vasari, qui conçut les grottes, et de Bernardo Buontalenti qui sculpta les statues. On doit également à ce dernier l'architecture élaborée de la cour qui sépare le palais du jardin.
L'allée principale rectiligne centrée sur la façade arrière du palais, monte sur la colline de Boboli, traverse un profond amphithéâtre au centre duquel se trouve un obélisque égyptien, transporté depuis la Villa Médicis à Rome. Il se termine à la fontaine de Neptune (surnommée avec irrévérence « Fontaine des fourchettes » par les Florentins, à cause du trident empoigné par Neptune), avec la sculpture de Stoldo Lorenzi qui se détache sur le panorama. Au sommet, on a une vue panoramique sur Florence, telle que peinte par Corot (voir l'illustration ci-contre). Une longue allée secondaire partant de l'angle droit de l'axe principal conduit vers une série de terrasses et de fontaines, le Viottolone, l'allée des Cyprès.
Au cours de la première phase des travaux, l'amphithéâtre fut creusé dans la colline derrière le palais. Amphithéâtre de verdure à l'origine, cloisonné par des bosquets toujours verts, il fut par la suite formalisé, reconstruit en maçonnerie et décoré de statues illustrant la mythologie romaine. La Grotticina della Madama, et la Grande Grotte sont achevées par Buontalenti entre 1583 et 1593.
Les statues de la Grande grotte sont un exemple remarquable de l'architecture et de la culture maniériste. Décorée à l'intérieur et à l'extérieur de stalactites, dotée de jeux d'eau et de végétation luxuriante, la Grande grotte est subdivisée en trois parties principales. La première fut couverte de fresques destinées à créer l'illusion d'une grotte naturelle dans laquelle les bergers se réfugiaient pour se défendre des bêtes sauvages. Elle abritait aussi Les Prisonniers (ou Les Esclaves) de Michel-Ange (aujourd'hui remplacés par une copie), des statues inachevées créées à l'origine pour la Tombeau de Jules II. Les autres salles abritent la Vénus sortant du bain de Jean de Bologne et le groupe de Paris et Hélène sculpté par Vincenzo de Rossi au XVI siècle.
De nombreuses fontaines :
- la fontaine de Neptune de Stoltdo Lorenzi de 1565
- la fontaine de Jupiter
- la fontaine de l'artichaut de Francesco Susini et de Francesco del Tada de 1641
- la fontaine de l'Océan de Jean de Bologne placée au milieu de l'Isolotto du lac de 1576
- la fontaine de Bacchus (Fontana del Bacchino) (1560), en fait la statue du nain Morgante, favori de Cosme I, qui est l'œuvre la plus connue de Valerio Cigoli.
Beaucoup d'autres statues allégoriques dans le jardin comme Prudence, Esculape, l'Automne, l'Été, Faune et Jupiter sont de Giovanni Battista Caccini ; trois figures grotesques représentant Venere, Amore e la personificazione dell'Architettura de Romolo del Tadda et, sur son modèle, le Gioco del Saccomazzone d'Orazio Mochi.
C'est dans ces jardins qu'on cultivera pour la première fois la patata, la pomme de terre et aussi des mûriers, des poiriers nains et d'autres fruits exotiques ramenés du monde entier.
