Les jardins font aussi l'objet d'une campagne de restauration importante dès 2001. Ces travaux concernent autant les plantes que l'architecture, avec la statuaire, les fontaines et les différents portails monumentaux. Une étude approfondie sur l'histoire des jardins est alors menée par Giorgio Galletti, architecte spécialiste des jardins médicéens. Elle sera la base de toutes interventions de restauration sur le végétal. Le patrimoine bâti dans le jardin est confié à Didier Repellin, Architecte en Chef des Monuments Historiques.
Le jardin, qui s'étend sur un peu plus de 7 hectares, est l'un des rares parcs historiques qui a conservé son dessin et son contour d'origine. Divisé en trois grands secteurs, il est dessiné, selon la volonté de Ferdinand de Médicis, passionné de science et de mathématique, sur une trame géométrique rigoureuse. Chaque allée débouche sur un élément architectural : une fontaine, une statue ou encore un ouvrage architectural tels que la loggia de Cléopâtre ou la Galerie du Bosco.
La première zone autour de la Villa, désignée comme « jardin historique », est composée du parterre, du piazzale et de ses seize carrés délimités par des haies vives renforçant le caractère de confidentialité.
Le Bosco, planté essentiellement de chênes verts et couvert au sol d'acanthes, était le terrain de prédilection de Ferdinand pour la chasse. Il est l'un des derniers exemplaires de «Ragnaia » (toile d'araignée), qui était une composition fréquente dans de nombreux jardins médicéens. Il est conçu, lui aussi sur une trame géométrique, des filets étaient tendus aux angles de chaque carré, d'où son nom, pour emprisonner les oiseaux. A l'arrivée du Cardinal, les oiseaux étaient libérés. A l'extrémité sud du Bosco, Ferdinand fit ériger un Parnasse sur les ruines de deux temples de l'Antiquité : le temple de la Fortune et le temple de Vesta. Au sommet, un édicule abrite une fontaine. Enfin la Braccheria, qui signifie littéralement « chenil » pour les chiens de chasse (bracchi), est la partie la plus reculée du jardin, située derrière le Bosco. Cette zone accueillait les dépendances du personnel et les activités agricoles.
Les travaux commencent en 2003 avec le recadrage de la maille géométrique. Les haies, dont certaines se sont déplacées durant les siècles de plus de 4 mètres, sont alors remises en place, les exemplaires de buis les plus anciens sont conservés et replantés. Les hermès, qui ponctuent les angles des seize carrés, sont repositionnés d'après un relevé au laser. Le parterre est replanté selon un dessin du XIXème siècle. Par ailleurs, le long des deux allées principales, les ormes, présents à l'époque de Ferdinand de Médicis, sont replantés. Une qualité résistante à la graphiose, mise en place par le CNRS de Florence, est choisie. Les pins parasols présentent depuis plusieurs années de graves problèmes de stabilité. En effet ces pins, dont les plus vieux datent de l'époque de Ingres, et qui avaient été plantés à des fins essentiellement productives, pour la récolte des pignons, ont atteint leur limite d'âge, soit cent cinquante ans au plus. Des campagnes phytosanitaires sont engagées tous les trois à cinq ans pour vérifier l'état des arbres. Les pins les plus dangereux sont abattus pour être remplacés par de jeunes plantes.
Une fois réalisés ces travaux de gros-œuvre, il a été décidé en 2006 d'entreprendre la création d'un jardin d'agrément dans l'un des carrés du jardin historique. Sur la base de cette première création, un projet, alliant le concept art, sciences et techniques, est mis en place. Il vise à mettre en scène les plantes représentées par l'artiste sur les murs de la « stanza dei ucelli » peinte par l'atelier de Zucchi pour Ferdinand de Médicis Ces fresques, outre leur valeur artistique, possèdent un réel caractère scientifique. Ces peintures représenteraient en effet l'inventaire de la faune et de la flore présentes au XVIème siècle dans les jardins de la Villa. Cette opération est suivie par Madame Anne Marie Slézec, botaniste-naturaliste, Docteur des Sciences, sur la base d'une convention entre l'Académie de France à Rome et le Muséum National d'Histoire Naturelle de Paris.
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