De renovatie van het hele complex, dat al een klein casino (het huidige Museum) en een coffee-house (het huidige Villa Lucia) omvatte, werd toevertrouwd aan de architect Antonio Niccolini, die zowel de herbouw in neoklassieke stijl van het gebouw ontwierp als de herinrichting van de tuinen in Engelse stijl, volgens de mode van die tijd.
Hij ontwierp tevens een openluchttheater, een ionisch tempeltje, de kassen en enkele grotten voor exotische dieren, unieke architectonische elementen die nog steeds bestaan in het huidige parkgebied en de oorspronkelijke pittoreske sfeer doen voelen. Wat betreft de Villa, zoals blijkt uit de handgetekende plattegrond bewaard in het Museum van San Martino, begon Niccolini met het inkapselen van het oude casino Saliceti en ontwierp een gebouw met een rechthoekige centrale vleugel en twee loodrecht en symmetrisch geplaatste vleugels aan de noordzijde, waarvan de westelijke nieuw gebouwd was.
Daarnaast voegde hij aan de centrale ingang van het gebouw een kleine geportificeerde ruimte toe, bedoeld voor het parkeren van koetsen, een architectonische oplossing die al eerder was toegepast bij het Teatro San Carlo. Voor de zuidgevel, die vanwege de steile helling van het terrein uit drie niveaus bestond, ontwierp Niccolini voor de halfkelders een voetstuk van lavasteen met een dubbele marmeren trap, die het gebouw verbindt met het omliggende park en uitkomt op het suggestieve uitzicht over de stad.
Na het overlijden van de hertogin 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 vanaf 1924 als museum werd ingericht om de collectie van de hertog van Martina te huisvesten.
