La storia della Villa Mansi di Segromigno è ampiamente documentata, ed è possibile ricostruirne le principali fasi costruttive.
I Cenami acquistarono dai Benedetti nel 1599 un edificio che doveva essere stato costruito nella seconda metà del secolo XVI. L'impianto attuale nella sua sostanza è dovuto alle modifiche apportate nel secondo quarto del secolo XVII. Dal 1634 al 1635 è documentata l'attività di Muzio Oddi, architetto urbinate che dal 1625 lavorava alla costruzione delle mura di Lucca. Il progetto di Oddi venne attuato, ma le sue lettere all'abate Paolo Cenami, che si trovava a Parigi, mostrano il puntuale intervento di quest'ultimo nella definizione del progetto, sia per quel che riguarda le idee generali che per la cura dei particolari. Isa Belli Barsali afferma quindi che la paternità del progetto della villa va assegnata a tutti e due. La competenza architettonica dei proprietari e il loro intervento diretto nella progettazione delle ville è una caratteristica comune a molte ville lucchesi dell'età classica.
Nel XVIII secolo, quando la villa era già di proprietà Mansi, venne modificata la facciata a valle. Venne chiusa la loggia del secondo piano e sostituita con l'attico attuale, che riprende i motivi architettonici del portico. Fu anche aggiunta una balaustrata con statue a coronamento dell'edificio. Queste modifiche sono state attribuite da G. Masson e E. Lazzareschi a Filippo Juvarra, autore della sistemazione del giardino, mentre I. Belli Barsali le assegna all'architetto lucchese Giusti.
Al XIX secolo risale invece la costruzione dell'attico sulla facciata a monte.
Il parco della villa ha subito nel corso del tempo notevoli modifiche. Tra il 1725 e il 1732 Filippo Juvarra aveva dato ad esso una complessa sistemazione di gusto francesizzante. Tale sistemazione fu stravolta ai primi dell'ottocento, quando il giardino fu modificato seguendo il gusto romantico del parco naturale. Nella seconda metà del XX secolo sono state introdotte ulteriori modifiche con l'aggiunta di putti in gesso e di un parterre.