Il parco è stato costruito in stile inglese. Sul suo territorio si trova una villa storica del XVII secolo, che anni fa era la residenza privata di Benito Mussolini. Attualmente ospita un museo e uno spazio espositivo. Si estende per 13,2 ettari e ha un passato ricco e complesso, dal punto di vista sociale e storico, in particolare per quanto riguarda lo sviluppo del suo parco paesaggistico.
Originariamente apparteneva alla famiglia Pamphilj (dalla fine del XVII alla metà del XVIII secolo) che lo utilizzava principalmente come fattoria. Questo era tipico delle proprietà dell'epoca lungo la Via Nomentana e in altre zone che si trovavano al di fuori delle mura cittadine. Intorno al 1760 passò alla famiglia Colonna, che non modificò molto la proprietà e mantenne il suo carattere di "vigna". Verso la fine del Settecento le numerose fattorie che costeggiavano la Via Nomentana, con i loro frutteti, vigneti e canneti, vennero trasformate in magnifiche residenze, e fu così che la proprietà venne trasformata in un'altra.
Fu Giovanni Torlonia a dare il via a questa tendenza quando iniziò a trasformare la sua proprietà in stile rurale in una sontuosa dimora, arricchita da vari annessi architettonici a tema immersi nella natura. Il risultato è che Villa Torlonia ha una struttura differenziata e planimetrica creata dai diversi progetti realizzati da architetti e paesaggisti nel corso degli anni: L'intervento di Valadier (l'architetto di Giovanni Torlonia) nella parte nord del parco, tra la fine del Settecento e l'inizio dell'Ottocento, ha un impianto tradizionale, con viali rettilinei e simmetrici di lecci, di cui rimangono alcuni esemplari vicino al Palazzo principale; la sistemazione della parte sud, invece, è frutto del gusto più drammatico di Alessandro Torlonia (1828-fine secolo), che fece ampliare il parco dal paesaggista Giuseppe Jappelli. Jappelli conferì al parco un'atmosfera romantica, "all'inglese", con l'uso di sentieri tortuosi e di fantasiose costruzioni esotiche.
Nei primi anni del Novecento, l'allargamento della Via Nomentana e le modifiche all'ingresso diedero un carattere meno simmetrico all'area antistante il Casino Nobile, che tornò a essere utilizzata per le occasioni mondane. Durante il soggiorno di Mussolini (1925-43) il giardino fu utilizzato per eventi sportivi e sociali, ma fu anche modificato dall'installazione di orti durante la guerra. Coltivazioni di mais e patate, pollai e conigliere ricordavano il passato rurale della Villa. Il successivo abbandono della proprietà è stato favorito dagli eventi della Seconda Guerra Mondiale, e i danni e le alterazioni causati dall'uso come Comando Alleato sono stati il culmine di questo processo.
A causa della mancanza di manutenzione per diversi decenni, al momento dell'apertura al pubblico nel 1978 Villa Torlonia si trovava in condizioni estremamente precarie, rendendo necessario un ampio progetto comunale di restauro redatto da un gruppo di lavoro del Dipartimento X, guidato dall'architetto Massimo Carlieri con l'assistenza del Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare.