Строительство виллы д’Эсте было заказано кардиналом Ипполитом II д’Эсте (1509-1572), сыном Альфонсо I д’Эсте и Лукреции Борджиа и внуком Папы Александра VI. Он был назначен правителем Тиволи Папой Юлием III и получил в дар существующую виллу, которая была полностью перестроена по его приказу. План строительства был разработан Пирро Лигорио и осуществлен под руководством архитектора-инженера из Феррарезе Альберто Гальвани, придворного архитектора Эсте. Главным художником роскошного внутреннего убранства был Ливио Агрести из Форли.
С 1550 года и до своей смерти в 1572 году, когда вилла была почти достроена, кардинал д’Эсте создавал роскошный замок в стиле позднего Возрождения, окруженный расположенным террасами садом, чему способствовал красивый склон. Для сада требовалось соответствующее водоснабжение, поэтому были сооружены каскады, баки для воды, каналы и пруды, водяные струи и фонтаны – giochi d'acqua. Результатом стала вилла, по праву занимающая свое место в ряду величайших усадьб, отличающихся интересным использованием воды, расположенных на холмах в предместьях Рима, таких как вилла Ланте (Villa Lante), вилла Фарнезе (Villa Farnese) в Капрароле и виллы Альдобрандини (Aldobrandini) и Торлония (Torlonia) в Фраскати. Планировка сада с многочисленными водными элементами повторялась в течение следующих двух веков во многих странах, от Португалии до Польши.
Черпая вдохновение (а также многие статуи и большую часть мрамора для строительства) в близлежащей вилле Адриана (Villa Adriana), дворцовой резиденции императора Адриана, а также используя восстановленную древнеримскую технику гидравлики для водоснабжения многочисленных фонтанов, кардинал создал тщательно разработанный сад, сочетание архитектурных элементов и водных источников которого оказало огромное влияние на европейский ландшафтный дизайн.
Пирро Лигорио, который разработал методы иконографии, воплощенные во фресках, украшающих виллу, также участвовал в разработке планировки садов, ему помогал Томмасо Чируччи из Болоньи, один из самых опытных инженеров-гидравликов 16 века. Чируччи работал над созданием фонтанов виллы Ланте. На вилле д’Эсте в техническом дизайне фонтанов ему помогал француз Клод Венард, который был опытным производителем гидравлического оборудования.
Кардинал Алессандро д’Эсте восстанавливал и расширял сады, начиная с 1605 года. В восемнадцатом веке вилла и сады перешли к династии Габсбургов после того, как Эрколе III д’Эсте передал их своей дочери Марии-Беатрисе, вышедшей замуж за великого герцога Фердинанда Габсбурга. Вилла и сады были заброшены. Гидравлические системы не использовались, а многие скульптуры, созданные по заказу Ипполито д’Эсте, были перенесены в другие имения. Живописное запустение, изображенное Карлом Блехтеном и другими художниками закончилось, когда вилла стала владением кардинала Густава фон Хоэнлоэ; кардинал пригласил Франца Листа, который возродил сад и дал здесь один из своих последних концертов. Вилла д’Эсте была приобретена итальянским государством после Первой мировой войны, отреставрирована и украшена картинами из хранилищ Национальной галереи Рима. Сборник стихов Жана Гарриже “Прогулки по воде у виллы д’Эсте” (1959) продолжил давнюю традицию стихосложения, когда вдохновением являются сады. Кеннет Энгер снимал кинофильм “Искусственная вода” среди фонтанов сада. Итак, вилла снова была прославлена в поэзии, изобразительном искусстве и музыке.
На землях виллы д’Эсте также расположен Museo Didattico del Libro Antico, музей, созданный для изучения и хранения антикварных книг.
Сама вилла с трех сторон окружает внутренний двор шестнадцатого века, расположенный на месте бывшего бенедиктинского монастыря. В фонтан на боковой стене, построенный в дорийском стиле, включена скульптура спящей в гроте нимфы, которую охраняют геральдические орлы д’Эсте, с барельефом в форме яблоневых ветвей, который связывает виллу с Садом Гесперид. Главный центральный вход ведет к Appartamento Vecchio, "Старым апартаментам", созданным для Ипполито д’Эсте, он отличается высоким сводом с фресками, на которых изображены древние аллегории и которые были созданы Ливио Агрести и его учениками. Отсюда открывается захватывающий вид вдоль главных осей садов, спускающихся рядом террас и постепенно исчезающих. Слева и справа располагаются комнаты, в тех, что слева располагаются библиотека и спальня кардинала Ипполито. За спальней расположена часовня, а скрытые ступени ведут в нижние апартаменты – Appartamento Nobile – которые выходят прямо на Gran Loggia (“Большую террасу”) Пирро Лигорио, покрытую гравием и отличающуюся элементами, характерными для триумфальных арок.
План сада основан на центральной оси с дополнительными поперечными осями, идущими в тщательно продуманных разных направлениях. В саду расположено около пятисот фонтанов, прудов и каналов. Достаточное количество воды обеспечивается благодаря реке Аньене, которая протекает через город (длина ее русла в черте города – примерно километр), и ручью Ривелезе, вода из которого поступает в цистерну, расположенную под внутренним двором виллы. Сегодня сад относится к лучшим садам Италии.
Самая верхняя терраса виллы заканчивается балконом с балюстрадой с левого конца, который обеспечивает обширный вид на равнину внизу. Симметричные двойные лестничные пролеты, расположенные по сторонам центральной дороги, ведут к следующей террасе сада, где с одной стороны располагается Грот Дианы, богато украшенный фресками и ракушечной мозаикой, а в центре – Fontana del Bicchierone ("Фонтан большого кубка"), ошибочно считавшийся работой Бернини, где вода струится из, как кажется, натуральной скалы в пруд в форме раковины.
Чтобы спуститься на следующий уровень, посетителю надо воспользоваться ступенями в другом конце – тщательно разработанный комплекс фонтанов под названием Rometta ("Маленький Рим") остается далеко слева – и он увидит во всю длину комплекс “Сто фонтанов”, где водяные струи наполняют длинное деревенское корыто, и созданный Пирро Лигорио фонтан Fontana dell'Ovato, завершающий вид (иллюстрация справа). Посетитель может пройти за фонтаном, через стилизованную аркаду нимфея, “населенного” мраморными нимфами работы Джованни Баттисты Делла Порта. Стоящая над нимфеем скульптура Пегаса напоминает посетителю источник вдохновения Гиппокрин на Парнасе, любимое место муз.
Эта терраса соединяется со следующей при помощи центрального Фонтана Драконов, являющегося доминирующим в центральной перспективе садов, который был возведен в 1572 году к визиту Папы Григория XIII, на гербовом щите которого красовался дракон. Центральные ступени ведут вниз по деревянному спуску к трем прямоугольным прудам, расположенным на пересечении осей в самой нижней части садов, справа от которых находится Фонтан Нептуна.