I natali di Antonio de' Medici sono circondati da un'aura di mistero. Alla nascita, infatti, il piccolo fu presentato a Francesco I de' Medici (1541-1587) dall'amante Bianca Cappello come frutto della loro relazione. La donna simulò gravidanza e parto e, con l'aiuto di un medico e di una cameriera compiacenti, si procurò da ignoti il bambino. Francesco I, nonostante la Cappello fosse stata in seguito smascherata, la perdonò, e nel 1583 riconobbe Antonio come figlio naturale, ebbe per lui grande affetto e lo crebbe come un Medici.

Alla morte del padre adottivo, lo zio e nuovo Granduca di Toscana Ferdinando I (1549-1609) privò inizialmente il ragazzo dei molti beni ereditati. In un secondo momento, appurata la sottomissione di Antonio, lo reintegrò nella sua posizione a Corte, dove continuò a vivere come un principe di casa Medici. Unica condizione, la nomina a Priore dei Cavalieri Gerosolimitani, i quali erano obbligati al celibato.

Don Antonio fu particolarmente interessato all'arte spagirica e alla fusione dei metalli, e lavorò in quel casino di San Marco, che già fu teatro delle esperienze alchimistiche del padre putativo.

La curiosità per i fenomeni naturali è confermata da alcune lettere che si scambiò con Galileo a partire dal 1604, quando gli chiese di inviargli "una palla [da lui posseduta] che gettandola nell'acqua sta fra le due acque" ( Ed. Naz. vol. X, p. 110 ). In realtà si trattava di una palla di cera utilizzata per un'esperienza che Galileo descriverà nella prima giornata dei Discorsi e dimostrazio ni matematiche intorno a due nuove scienze (Leida, 1638) ( Ed. Naz. vol. VIII, p. 114 ).

La corrispondenza tra Galileo e don Antonio de' Medici non è fitta, ma tra le lettere inviate a quest'ultimo ve ne se sono alcune che ricoprono un'importanza particolare per lo studio dell'evoluzione delle scoperte celesti. Quando si recò nel 1611 a Roma con l'intenzione di convincere gli increduli circa l'esistenza dei Pianeti Medicei, Galileo ebbe da Antonio de' Medici diverse lettere di raccomandazione per alti prelati, fra i quali Maffeo Barberini (1568-1644), poi papa Urbano VIII, e Francesco Maria del Monte (1549-1626), già suo amico e sostenitore fin dai tempi della cattedra pisana.