Il catasto del 1550 offre un sicuro termine ante quem per la costruzione della villa, ma non sappiamo quando essa assunse la definitiva veste rinascimentale, con la creazione del portico d'ordine tuscanico in facciata, e l'inserimento di peducci, sempre tuscanici, a supporto delle volte delle sale interne.

E' da ritenersi che la struttura originaria, raffigurata nell'Estimo, sia stata inglobata nella Villa, quando venne trasformata in forma rinascimentale. L'esistenza di un grande arco al piano terra dovette consentire senza difficoltà tecniche l'inserimento dell'attuale portico arcuato sostenuto da due colonne d'ordine tuscanico. Oggi quattro finestre "quadrotte" al piano terra sostituiscono le due finestre inserite nei due corpi basamentali ai lati dell'arcone raffigurato nell'Estimo. Si può supporre, infatti, che nelle diverse fasi di trasformazione di Villa Grabau siano state progressivamente aperte nuove finestre.

Al di là della timida impaginatura neoclassica, che sembra oggi prevalere nella villa ad una prima lettura, possiamo affermare che essa mantiene nella sua configurazione attuale gli originari caratteri cinquecenteschi. L'allineamento fra il salone e il loggiato, il primo con sviluppo longitudinale, il secondo con sviluppo trasversale, accostati a forma di T, come nella Villa Buonvisi al Giardino, consentono la determinazione di un asse visivo prospettico perfettamente orientato da nord a sud e proiettato nel territorio.

Il segno di questo asse è ancora visibile nel viale di accesso, che proseguendo l'antica via di Lucca, attraversa la villa e termina nell'esedra del giardino. La veduta di Francesco Venturi del 1775 ci offre un'immagine dell'edificio precedente ai lavori di trasformazione apportati soprattutto da Enrico Cittadella dopo il 1854. Questi compresero l'apertura di sette finestre per piano in luogo delle cinque visibili nella veduta del Venturi, la decorazione delle pareti interne, la creazione del tetto a padiglione in luogo di quello originario a capanna.

La villa venne così ad assumere una veste neoclassica, come era avvenuto nella vicina Villa Reale di Marlia, dopo gli interventi di Elisa Baciocchi, sorella di Napoleone. Al piano terreno, la prima rampa della scala principale in pietra di Matraia venne spostata dal salone centrale verso ovest, così da ottenere un ingresso separato

Il grande loggiato a sud venne chiuso con serramenti vetrati e tende in stile "Trompe l'oeil" furono dipinte sui muri, insieme ad affreschi con figure di ninfe danzanti e disegni geometrici di gusto neoclassico. Il "Salone dei finti tendaggi" così ricavato, è riuscito ad ingannare anche occhi esperti attraverso gli anni per il realismo con cui è stato così magistralmente dipinto.

L'unico ambiente a rimanere inalterato, con i suoi affreschi originari, fu la piccola Cappella adiacente la sala principale a nord.
Al primo piano, i soffitti a cassettone furono "incannicciati", poi intonacati e quindi dipinti insieme alle pareti con affreschi dai colori vivaci e ispirati dal medesimo gusto classicheggiante.

Il tetto originale a capanna assunse l'attuale forma a padiglione, mentre il bell'orologio in ferro, eseguito nel 1780 a probabile coronamento della facciata, fu trasferito nella Villa Orsetti a Palaiola, dono di Enrico Cittadella agli Orsetti a metà Ottocento.

Una fila di busti di marmo venne collocata sul parapetto della gronda per fare bella mostra di sé verso il cancello principale, nello stesso stile delle altre statue di ninfe ed animali del giardino.