L'edificio, costruito in stile neoclassico sfruttando abilmente i pendii della collina, sorge ai piedi del colle di Castellara a Voltri. Un grande stemma in marmo dei Brignole Sale (scudo gentilizio con due leoni rampanti ai lati) domina la parte centrale della villa. La villa monumentale è famosa per la sua decorazione rococò, realizzata con incrostazioni di conchiglie policrome e ciottoli marini. Di particolare rilievo ed interesse artistico la Sala delle Conchiglie e il teatrino neoclassico, nel quale operava l'artista voltrese Giuseppe Canepa. Sul retro dell'edificio si trova il giardino d'inverno con un suggestivo ninfeo a grotta con scultura decorativa. Le due statue settecentesche raffiguranti Bacco e Davide sono oggi trasferite al Museo di Sant'Agostino di Genova. Il nome della Villa "Duchessa di Galliera" deriva dall'ultima nobile proprietaria. In realtà per volontà testamentaria della duchessa il nome di questo luogo doveva essere "Brignole-Sale", il nome della famiglia che l'aveva posseduto per tanti secoli. Risale infatti al 1675 l'acquisto della villa, allora chiamata "il Paraxo", da parte di Gio Francesco Brignole Sale. Da quel momento la famiglia Brignole Sale fa ampliare il palazzo ed abbellire il parco. Alla fine del XIX secolo, Villa Brignole Sale raggiunge splendore e fama internazionale e vede ospiti papi e regnanti. La duchessa Maria ha una particolare predilezione per la villa e, intorno al 1876, la fa ingrandire da Luigi Rovelli. Il parco circostante, di ben 32 ettari di estensione, ha un aspetto montano, con boschetti di lecci e pini, radure erbose e una fauna di daini, caprette maltesi e pavoni: uno splendido esempio di giardino all'inglese arricchito di elementi romantici e classicheggianti allora in voga. Alla morte della duchessa (Parigi, 9 dicembre 1888), l'Opera Pia Brignole Sale eredita tutto il complesso, ma trovandosi in gravi difficoltà economiche, inizia una trattativa col Comune di Voltri per la cessione del sito. Nel 1931 la Villa passa in affitto al Comune di Genova che nel frattempo ha inglobato quello di Voltri. Grazie ai finanziamenti ottenuti in occasione delle manifestazioni colombiane del 1992, è stata sottoposta a molti interventi fra i quali la ristrutturazione delle dipendenze artistiche (Caffè, Castello e Latteria), il ripristino di alcuni giochi d'acqua e l'allestimento di un percorso ginnico.
