Marie de Médicis fit élever vers 1630, à l'image des nymphées et fontaines qui décoraient les jardins italiens, la grotte du Luxembourg, dénommée depuis lors "Fontaine Médicis". Thomas Francine, Intendant Général des Eaux et Fontaines, en aurait dessiné les plans.
Chalgrin, architecte du Palais du Luxembourg, la fit restaurer après la Révolution par les sculpteurs Ramey, Duret et Talamona et orna la niche centrale d'une petite Vénus.
En 1862, le percement de la rue Médicis, par Haussmann, entraîna le déplacement de la fontaine et son rapprochement du Palais d'environ trente mètres.
L'architecte Alphonse de Gisors fit alors construire au-devant un bassin long d'une cinquantaine de mètres et commanda de nouvelles sculptures à Ottin.
Gestionnaire du Jardin du Luxembourg, le Sénat qui veille à assurer la conservation, l’entretien et la mise en valeur de ce patrimoine d’exception a entrepris de faire restaurer la Fontaine Médicis et ses bassins en 2020 et 2021.
Les travaux ont notamment permis la restauration des statues, le remplacement du dispositif d'évacuation des eaux pluviales, la rénovation du système hydraulique ainsi que la mise en valeur de la Fontaine de Leda.