Si accede al Museo da un atrio decorato da un tromple-l’oeil che rende profondo l’ingresso riproducendone illusionisticamente l’architettura.
Al piano terra il “giardino d’inverno” e il salone da “bagno” con boschereccio introducono alla visita con gusto degli inizi dell’Ottocento.
Salito il magnifico scalone, ornato dalla copia dello stemma di Donatello, si passa alla galleria. Nella prima sala, con soffitto decorato dal Marini, si segnalano i dipinti di Francesco Francia, del Poppi, di Salvator Rosa, di Luca Giordano oltre il celebre dipinto del Benigni che raffigura la famiglia Martelli all’interno della “galleria” nel Settecento.
Nella seconda sala, con soffitto del Contestabile raffigurante il matrimonio di Camilla Martelli con il granduca Cosimo I de’ Medici, si segnalano i capolavori di Beccafumi, Suttermans e l’arredo ricco di mobili rari e preziosi. La terza sala, verde, con il soffitto del Marini che raffigura Roberto Martelli all’interno della Bottega di Donatello, comprende una serie di preziosi paesaggi e due dipinti di Bruegel il giovane.
La quarta sala è frutto di una ricostruzione attuale, poiché è giunta a noi già smembrata e in stato di magazzino: segnaliamo due dipinti del Borgianni e porcellane, sculture, ventagli e oggetti d’arredo appartenuti alla famiglia Martelli. Seguono la Cappella, il salotto giallo con sete Sette-ottocentesche alle pareti e lo splendido tondo di Piero di Cosimo, il salone ritrovato con i ritratti di famiglia, il salottino Pucci e il salone da Ballo, sobrio ed elegante nella sua versione degli inizi dell’Ottocento realizzato per le nozze di Marco Martelli con Teresa Pucci, e Niccolò Martelli con Caterina de’ Ricci, con gli stemmi dei committenti.