A renovação de todo o complexo, que incluía um pequeno cassino (o atual Museu) e uma coffee-house (a atual Villa Lucia) e o Parque, foi confiada ao arquiteto Antonio Niccolini, que trabalhou nele de 1817 a 1819.
Niccolini, como se observa na planta autógrafa conservada no Museu de San Martino, concebeu um edifício com corpo central retangular e dois braços perpendiculares e simétricos, voltados para o norte. Além disso, adicionou, à entrada central do edifício, uma pequena área porticada para a parada das carruagens, solução arquitetônica já adotada para o Teatro San Carlo.
Para a fachada sul, que tinha três níveis devido à acentuada inclinação do terreno, Niccolini elaborou para o piso semi-subterrâneo uma base de pedra vulcânica com uma escadaria de mármore em dupla rampa, que conecta o edifício ao parque ao redor, abrindo-se para a paisagem sugestiva da cidade.
Após a morte da duquesa de Florídia, em 1826, os edifícios monumentais e o parque sofreram várias transformações feitas pelos herdeiros até 1919, ano em que a Villa foi adquirida pelo Estado e destinada a sede museológica.
O Museu Duque de Martina é desde 1931 a sede de uma das maiores coleções italianas de artes decorativas, abrangendo mais de seis mil obras de manufatura ocidental e oriental, datadas do século XII ao XIX, cujo núcleo mais expressivo é constituído pelas cerâmicas.
A coleção, que dá nome ao Museu, foi formada na segunda metade do século XIX por Placido de Sangro, duque de Martina, e doada à cidade de Nápoles por seus herdeiros em 1911. O duque, nascido em Nápoles em 1829 e pertencente a uma ilustre família estreitamente ligada à corte dos Bourbons, após a unificação da Itália mudou-se para Paris, onde começou a adquirir objetos de arte aplicada, entrando em contato com os maiores colecionadores europeus e participando das grandes exposições universais.
Em 1881, seu único filho faleceu, e toda a coleção foi herdada em 1891 pelo homônimo neto, conde dos Marsi, que, por meio de sua esposa Maria Spinelli di Scalea, a doou à cidade de Nápoles em 1911.
O Museu se desenvolve em três pavimentos; no térreo estão expostos, além de algumas pinturas, objetos em marfim, esmaltes, tartarugas, corais e bronzes da época medieval e renascentista, maiólicas renascentistas e barrocas, vidros e cristais dos séculos XV a XVIII, móveis, porta-objetos e artigos decorativos. No primeiro piso está a coleção de porcelanas europeias do século XVIII, composta por grupos das mais importantes manufaturas do século XVIII, como Meissen, Doccia, Nápoles e Capodimonte, porcelanas francesas, alemãs e inglesas. Finalmente, no piso semi-subterrâneo, está montada a seção de objetos de arte oriental, entre os quais se destaca a coleção de porcelanas chinesas das dinastias Ming (1368-1644) e Qing (1644-1911), além das japonesas Kakiemon e Imari.
Niccolini, aproveitando o declive natural do terreno em direção ao mar, redesenhou as áreas externas, alternando amplos gramados e canteiros com cenários de bosques e terraços íngremes.
Já para as áreas próximas ao edifício principal adotou soluções mais regulares e simétricas, em conformidade com as características estilísticas do gosto neoclássico. Criou também um teatro ao ar livre, um pequeno templo jônico, as estufas e algumas grutas para animais exóticos: únicos elementos arquitetônicos ainda existentes na atual área do parque, que transmitem a atmosfera pitoresca original.
