Según se lee en la obra de Giorgio Vasari Vidas (1568), Rafael pintó la Madonna del Cardellino por encargo de Lorenzo Nasi, rico mercader y gran amigo suyo en los años de su estancia en Florencia (1504-1508), con motivo de su boda en 1505 con Sandra di Matteo Canigani. La obra permaneció en casa de Lorenzo Nasi hasta que un derrumbe la sepultó entre los escombros hecha pedazos, que por suerte su hijo Battista hizo volver a ensamblar lo mejor que se pudo. Pese a no haber ningún documento que aclare la identidad del restaurador, se conjetura que fue Rodolfo del Ghirlandaio (1483-1561), hijo del famoso Domenico Ghirlandaio coetáneo y amigo de Rafael. Tras la extinción por vía masculina de la familia Nasi, La Madonna del cardellino fue adquirida por Giovan Carlo de Medici (1611-1663) y más tarde pasó al cardenal decano Carlo de Medici (1596-1664), para llegar finalmente a la Galleria degli Uffizi en 1704. En el trabajo de restauración se han llevado a cabo intensas investigaciones científicas para aclarar cuáles son los materiales usados por Rafael, por Rodolfo del Ghirlandaio en su intervención de 1547 y por los autores de las estratificaciones de las intervenciones siguientes, una masa de materiales que con el tiempo se había alterado hasta esconder completamente la policromía rafaelesca. Para ello han sido utilizados todos los instrumentos de conocimiento proporcionados por las diferentes técnicas de investigación diagnóstica. Por otro lado, en el proyecto de conservación se ha intentado sanear los elementos patológicos con el fin de hacer que los valores expresivos de la pintura fuesen correctamente perceptibles. La larga y delicada fase de limpieza ha permitido recuperar la policromía rafaelesca todavía protegida por el barnizado mismo del artista. También la tabla ha sido objeto de una intervención de saneamiento con el fin de consolidar las fracturas abiertas y mejorar la lisura de la superficie. El estucado de las lagunas, el tratamiento de la superficie y la reintegración pictórica han dado lugar a un mejoramiento estructural que conlleva un sensible mejoramiento para una correcta apreciación de los valores expresivos de la pintura.
La radiografía reveló las largas cuñas de metal utilizadas en 1547 para reunir las 17 piezas de la tabla.	La reflectografía infrarroja reveló el dibujo que se encontraba debajo de la pintura. Se observan pocos cambios en las figuras pintadas; son más importantes en el paisaje.
En resumen, el proceso de restauración y limpieza de la obra.