Al suo interno sono ospitati diversi musei di diversa natura: una galleria d'arte (la Galleria Palatina, con capolavori di Raffaello, Tiziano, ecc.) sistemata secondo il criterio della quadreria settecentesca, gli appartamenti monumentali, la Galleria d'arte moderna (con le opere dei macchiaioli) ed altri musei specializzati: il Museo degli argenti, dedicato all'arte applicata, la Galleria del costume, il maggiore museo italiano dedicato alla moda, il Museo delle porcellane e il Museo delle carrozze. I giardini monumentali di Boboli sono uno dei migliori esempi nel mondo di giardino all'italiana.
All'epoca in cui venne costruito era la residenza più grande di Firenze ed anche la più sfarzosa.
Luca Pitti era rivale della famiglia dei Medici e desiderava una residenza più sfarzosa di quella appena eretta da Michelozzo per Cosimo il Vecchio. La tradizione tramandata da Giorgio Vasari (priva però di altri riscontri) vuole che i Pitti si rivolgessero a Filippo Brunelleschi scegliendo il progetto accantonato da Cosimo de' Medici per il palazzo Medici perché giudicato troppo grandioso e suscettibile di invidie, preferendogli quello più dosato di Michelozzo. La leggenda narra che Luca Pitti esigesse che le finestre del nuovo palazzo fossero più grandi della porta principale di quello di Cosimo (in effetti al piano terra vi era una loggian e che il cortile potesse contenere l'intero palazzo Strozzi (sebbene palazzo Pitti abbia solo tre lati invece di quattro). L'effettiva realizzazione, che poco ha a che spartire con la sobrietà di Brunelleschi (fra l'altro morto 12 anni prima) e sembra più simile alle indicazioni del De re aedificatoria di Leon Battista Alberti, si rifà più alla solennità romana classica. Ufficialmente l'architetto fu Luca Fancelli, allievo e collaboratore di Brunelleschi.
Il nucleo originale del palazzo corrisponde alle sei finestre centrali e il portale, con la facciata composta secondo un modulo fisso, che ricorre nell'ampiezza delle aperture e nella loro distanza; moltiplicato epr due dà l'altezza delle aperture e per quattro l'altezza dei piani. Nuova fu anche la presenza di una piazza antistante l'edificio, la prima costruita davanti un palazzo privato a Firenze, che permetteva una visuale frontale e centrata dal basso, secondo il punto di vista privilegiato definito anche da Leon Batttista Alberti.
Punto di contatto con il modello brunelleschiano/michelozziano di Palazzo Medici Riccardi è la fronte a bugnato a sporgenza digradante, sviluppo in larghezza di sette finestre, con un portone centrale che dopo un andito oscuro conduce in un ampio cortile da cui si accede alle scale monumentali per i piani superiori.
Per problemi di progettazione i lavori a palazzo vennero momentaneamente interrotti, e forse, complice la sfavorevole sorte in politica di Luca Pitti, viene da pensare che un po' come gli Strozzi, che nella gara a superare in sfarzo i Medici si erano fatalmente indebitati dovendo lasciare una parte di Palazzo Strozzi incompiuta, anche i Pitti si trovarono in difficoltà finanziarie e i lavori si interruppero di fatto nel 1464.
La famiglia risedette comunque nel palazzo dal 1469, anche dopo la morte di Luca Pitti (1472).
Dopo vari restauri si è giunti alla sistemazione odierna con 5 musei articolati per diverse tematiche espositive. I musei sono gestiti dalla Soprintendenza per il Polo Museale Fiorentino, mentre al piano terreno, con entrata da Piazza Pitti, è ospitata l'altra soprintendenza fiorentina, quella per i Beni Architettonici, Paesaggistici e Demo-etno-antropologici (una terza soprintendenza è quella Archeologica della Toscana, che ha sede altrove). Sempre al pian terreno, affacciato sul cortile centrale, si trova l'ufficio prenotazioni che gestisce tutte le biglietterie dei musei statali a Firenze.
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