Nel 1548 Cosimo I de' Medici promosse, sui resti della Fabricia romana e della Ferraia medievale (cosiddetta per essere un importante scalo delle miniere di ferro dell'isola), la fondazione di Portoferraio, segnando così un momento significativo per la realizzazione dello Stato regionale. "Cosmopolis", come talvolta fu indicata la "città di Cosimo", o "Cosmo", dal gioco allusivo che il duca alimentò sul suo nome, rappresentò un riferimento nella trattatistica dedicata ai criteri di costruzione delle città. Fu infatti considerata un eccellente esempio di città-fortezza nella Cosmografia Universalis del geografo Sebastiano Münster. In una lettera al Viceré di Napoli, datata 16 aprile 1548, Cosimo sottolinea il carattere militare e strategico del porto: «Il porto dell'Elva... è di tale importanza, se fosse occupato da chi desidera perturbare le cose d'Italia che trarrebbe la via più facile di poter far ciò che volesse perché quel sito è forte per natura; il porto capace di ogni grande armata e il luogo è vicino a più luoghi dove si potrebbe far danno» (Archivio Storico di Firenze, Archivio Mediceo del Principato, Filza 11, c. 52). Situato dietro un promontorio, il porto è dotato di una profonda insenatura e di una darsena naturale, difesa da inespugnabili fortificazioni realizzate, alla metà del Cinquecento, dagli architetti militari Giovan Battista Belluzzi e Giovanni Camerini. Il sistema difensivo si componeva di un Fronte di Attacco verso ovest e di tre piazzaforti principali (Forte Falcone, Forte Stella e Fortezza della Linguella) collegate tra loro da un insieme di bastioni e di camminamenti tale da circondare l'intera superficie della città vecchia, un tempo separata da resto dell'isola da un fossato artificiale. La torre ottagonale della Linguella, costruita all'imboccatura della darsena, è oggi sede del locale Museo Archeologico mentre Forte Stella ospita uno dei più antichi fari d'Europa, voluto nel 1788 dal Granduca Leopoldo di Lorena.

Il porto svolse un ruolo di primo piano anche per le attività estrattive dell'isola, costituendo uno degli approdi più importanti della Toscana per il commercio e il trasporto del ferro dalle miniere elbane agli stabilimenti di lavorazione di Follonica. Inoltre, all'interno della rada del porto, furono realizzate nel periodo lorenese numerose saline che garantivano una delle più importanti attività produttive del Granducato. Nel 1829 il chimico G.B. Pandolfini-Barbieri ottenne da queste acque saline una quantità di solfato di magnesio identico al Sale di Epsom o sale inglese.

Ancora oggi è possibile ammirare la darsena medicea e gli straordinari apparati difensivi che costituiscono un rarissimo esempio di fortificazione marittima cinquecentesca.