В середине XVI века хозяином поместья был В.П. Головин, позже оно принадлежало Ф. Бутурлину, В. Щелкалову, Головину, С.И. Заборовскому, а с 1698 г. князю Б.А. Голицыну. По указанию Голицына здесь был разбит французский парк, построен новый дом и каменная церковь Рождества Богородицы.
В 1729 г. владельцем стал П.С. Салтыков, при котором был создан архитектурно-парковый ансамбль — построен двухэтажный каменный дворец с двумя флигелями, зверинец и оранжереи. После смерти П.С. Салтыкова имение перешло к его сыну, при котором здесь появились постройки в стиле классицизма. Была построена зимняя церковь и павильоны, беседки и дома для псарей, конный двор, каретный сарай, регулярный парк. Среди аллей парка появились мраморные скульптуры, павильоны, гроты и беседки.
После революции усадьба Марфино была национализирована, здесь проходили практику студенты сельскохозяйственной академии, в 1919-1923 гг. в имении находилась детская колония, а с 1923 по 1930 г. — здравница. Сейчас на территории усадьбы располагается Марфинский центральный военный клинический санаторий.