De herinrichting van het gehele complex, dat een klein casino omvatte (het huidige Museum) en een koffiehuis (het huidige Villa Lucia) en het Park, werd toevertrouwd aan de architect Antonio Niccolini, die er van 1817 tot 1819 aan werkte.
Niccolini ontwierp, zoals blijkt uit het handgeschreven plan bewaard in het Museum van San Martino, een gebouw met een rechthoekig centraal lichaam en twee loodrechte en symmetrische armen gericht op het noorden. Daarnaast voegde hij bij de centrale ingang van het gebouw een kleine overdekte ruimte toe, voor het stallen van koetsen, een architectonische oplossing die al was toegepast bij het Teatro San Carlo.
Voor de zuidgevel, die uit drie niveaus bestond vanwege de sterke helling van het terrein, ontwierp Niccolini voor de gedeeltelijke kelder een fundament van lavasteen met een marmeren dubbele trap die het gebouw verbindt met het omliggende park en uitkijkt over het indrukwekkende panorama van de stad.
Na de dood van de hertogin van Floridia in 1826, ondergingen de monumentale gebouwen en het park talrijke veranderingen door de erfgenamen tot 1919, het jaar waarin de Villa werd gekocht door de staat en bestemd werd als museumlocatie.
Het Museo Duca di Martina herbergt sinds 1931 een van de grootste Italiaanse collecties van decoratieve kunsten, met meer dan zesduizend werken uit Westerse en Oosterse manufacturen, daterend van de 12e tot de 19e eeuw, waarvan het grootste deel uit keramiek bestaat.
De collectie, die naar het museum is vernoemd, werd gevormd in de tweede helft van de negentiende eeuw door Placido de Sangro, hertog van Martina, en in 1911 door zijn erfgenamen aan de stad Napels geschonken. De hertog, geboren in Napels in 1829 en behorend tot een illustere familie nauw verbonden met het Bourbonse hof, verhuisde na de Italiaanse eenwording naar Parijs, waar hij begon met het verzamelen van toegepaste kunstvoorwerpen, in contact kwam met de belangrijkste Europese verzamelaars en deelnam aan grote wereldtentoonstellingen.
In 1881 stierf zijn enige zoon en de gehele collectie werd in 1891 geërfd door zijn naamgenoot, de graaf van Marsi, die via zijn vrouw Maria Spinelli di Scalea de collectie in 1911 aan de stad Napels schonk.
Het museum beslaat drie verdiepingen; op de begane grond worden, naast enkele schilderijen, ivoor, email, schildpadden, koralen en bronzen uit de middeleeuwen en renaissance tentoongesteld, renaissance- en barokmajolica’s, glas en kristal uit de 15e tot 18e eeuw, meubels, sieradenkistjes en gebruiksvoorwerpen. Op de eerste verdieping bevindt zich de collectie Europese porselein uit de 18e eeuw, bestaande uit stukken van de belangrijkste manufacturen uit die tijd, Meissen, Doccia, Napels en Capodimonte, evenals Frans, Duits en Engels porselein. Ten slotte is in de kelder de sectie met Oosterse kunstvoorwerpen ingericht, waaronder een opmerkelijke collectie Chinees porselein uit de Ming-periode (1368-1644), Qing-periode (1644-1911) en Japans Kakiemon- en Imari-porselein.
Niccolini maakte gebruik van het natuurlijke dalende terrein richting de zee en herontwierp de buitengebieden, waarbij hij grote gazons en bloemperken afwisselde met decoratieve schermen, bosachtige zones en steile terrassen.
Voor de gebieden rond het hoofdgebouw koos hij echter voor regelmatiger en symmetrische oplossingen, in overeenstemming met de neoklassieke stijlkenmerken. Daarnaast ontwierp hij een openluchttheater, een ionische tempel, serres en enkele grotten voor exotische dieren: de enige architectonische elementen die vandaag de dag nog bestaan in het huidige parkgebied en die de oorspronkelijke pittoreske sfeer doen ervaren.
