Die Renovierung des gesamten Komplexes, zu dem ein kleines Casino (das heutige Museum) und ein Kaffeehaus (die heutige Villa Lucia) sowie der Park gehörten, wurde dem Architekten Antonio Niccolini anvertraut, der von 1817 bis 1819 daran arbeitete.
Niccolini entwarf, wie aus dem im Museo di San Martino aufbewahrten originalen Plan ersichtlich ist, ein Gebäude mit einem rechteckigen Mittelbau und zwei senkrechten, symmetrischen Flügeln, die nach Norden gerichtet sind. Außerdem fügte er am Haupteingang des Gebäudes einen kleinen überdachten Bereich für die Kutschenpause hinzu – eine architektonische Lösung, die bereits für das Teatro San Carlo verwendet wurde.
Für die Südfassade, die aufgrund der starken Terrainneigung dreistöckig war, entwickelte Niccolini für das Untergeschoss ein Fundament aus Lavastein mit einer doppelstöckigen Marmortreppe, die das Gebäude mit dem umliegenden Park verbindet und einen beeindruckenden Blick auf die Stadt eröffnet.
Nach dem Tod der Herzogin von Floridia im Jahr 1826 unterlagen die eindrucksvollen Gebäude und der Park zahlreichen Umbauten durch die Erben bis 1919, dem Jahr, in dem die Villa vom Staat erworben und als Museumssitz bestimmt wurde.
Das Museo Duca di Martina beherbergt seit 1931 eine der größten italienischen Sammlungen dekorativer Kunst mit über sechstausend Werken westlicher und östlicher Herstellung, die vom 12. bis zum 19. Jahrhundert datieren, wobei der bedeutendste Kern aus Keramiken besteht.
Die Sammlung, die dem Museum seinen Namen gibt, wurde in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von Placido de Sangro, Herzog von Martina, zusammengestellt und 1911 von seinen Erben der Stadt Neapel geschenkt. Der Herzog, 1829 in Neapel geboren, gehörte einem angesehenen Hause an, das eng mit dem bourbonischen Hof verbunden war. Nach der Einigung Italiens zog er nach Paris, wo er begann, angewandte Kunstgegenstände zu erwerben, Kontakte zu den bedeutendsten europäischen Sammlern knüpfte und an den großen Weltausstellungen teilnahm.
1881 starb sein einziger Sohn, und die gesamte Sammlung wurde 1891 vom gleichnamigen Enkel, Graf von Marsi, geerbt, der sie 1911 durch seine Frau Maria Spinelli di Scalea der Stadt Neapel schenkte.
Das Museum erstreckt sich über drei Stockwerke: Im Erdgeschoss werden neben einigen Gemälden auch Elfenbeine, Emaille, Schildkrötenpanzer, Korallen und Bronzen aus dem Mittelalter und der Renaissance gezeigt, Renaissance- und Barockmajolika, Glas und Kristall der Jahrhunderte XV bis XVIII sowie Möbel, Schmuckkästchen und Einrichtungsgegenstände. Im ersten Stock befindet sich die Sammlung europäischer Porzellane des 18. Jahrhunderts, bestehend aus Stücken der wichtigsten Manufakturen des 18. Jahrhunderts wie Meissen, Doccia, Neapel und Capodimonte sowie französische, deutsche und englische Porzellane. Im Untergeschoss wurde die Abteilung für orientalische Kunstgegenstände eingerichtet, darunter besonders hervorzuheben ist die Sammlung chinesischer Porzellane aus der Ming-(1368–1644) und Qing-Dynastie (1644–1911) sowie japanische Kakiemon- und Imari-Porzellane.
Niccolini nutzte die natürliche Neigung des Geländes zum Meer hin und gestaltete die Außenanlagen neu, wobei er große Rasenflächen und Beete mit szenischen Kulissen, Waldstücken und steilen Terrassen wechselte.
Für die Bereiche rund um das Hauptgebäude wählte er hingegen regulärere und symmetrischere Lösungen, die den neoklassizistischen Stilmerkmalen entsprachen. Zudem entwarf er ein Freilufttheater, ein ionisches Tempelchen, Gewächshäuser und einige Grotten für exotische Tiere – einzigartige architektonische Elemente, die heute noch im Park existieren und die ursprüngliche pittoreske Atmosphäre wahrnehmbar machen.
