Nata nel 1565 da Carlo II duca di Lorena (1543-1608) e Claudia, figlia del re di Francia Enrico II di Valois (1519-1559) e di Caterina de' Medici (1519-1589), dopo la precoce morte della madre, si trasferì dalla Lorena a Parigi presso la nonna, regina di Francia. Caterina de' Medici ne curò personalmente l'educazione e volle per lei un matrimonio di alto livello. Cristina si sposò con il Granduca di Toscana Ferdinando I de' Medici (1549-1609) nel 1586 e si trasferì a Firenze nel 1589.

Ricordata per la sua religiosità, non priva di eccessi, Cristina seppe conquistarsi l'affetto e la stima del marito e dei sudditi con una condotta sobria e volta al bene comune, con la quale contribuì a far dimenticare gli anni di governo dello sregolato cognato Francesco I (1541-1587).

Così descrive l'atteggiamento di Ferdinando nei suoi confronti Pietro Usimbardi (?-1612), allora vescovo di Arezzo e autore della Istoria del Gran Duca Ferdinando I de' Medici (Firenze, 1880): "[egli] talmente si restrinse seco, che di tutte le cose la voleva partecipe, et nessuna cosa passava, assente lei, che egli, da se stesso o pei suoi ministri, non le comunicasse poi; dicendo di scoprir in lei valore et consiglio che a ciò lo persuadeva".

Alla morte del marito nel 1609, la Granduchessa influenzò fortemente il giovane erede Cosimo II (1590-1621) nelle proprie scelte di governo. In seguito alla morte di lui nel 1621, insieme alla nuora Maria Maddalena d'Austria (1589-1631), esercitò la reggenza per il nipote Ferdinando II (1610-1670).

I rapporti di Cristina di Lorena con Galileo furono stretti e improntati a grande stima nei primi anni del Seicento - lo volle come insegnante di Cosimo II durante i mesi estivi - mentre si affievolirono, via via che le posizioni dello scienziato andavano collidendo con quelle della Chiesa.

Nel 1615 Galileo indirizzò a Cristina di Lorena la più famosa delle "Lettere copernicane", con la quale tentava di dimostrare la possibile conciliazione fra moto della terra e Sacre Scritture, rivendicando fra l'altro alla filosofia naturale la possibilità di un'azione autonoma da ogni ingerenza di tipo teologico.

Durante gli anni del suo governo de facto, il potere dei religiosi, e con loro dell'Inquisizione, crebbe notevolmente, ponendo così le premesse per quelle che saranno le dolorose vicende giudiziarie di Galileo.

Cristina morì il 20 dicembre del 1636 nella Villa di Castello all'età di 72 anni.