Figlio di Giovanni dalle Bande Nere (1498-1526), fu nominato Duca di Firenze nel 1537. Assunse il titolo di Granduca di Toscana nel 1569. Sotto il suo regno furono fondati gli Orti botanici di Pisa (1544) e di Firenze (1545). Fu autore di studi cosmografici e fece eseguire al monaco Egnazio Danti (1536-1586) le carte geografiche di tutte le terre allora conosciute. La raccolta di meraviglie scientifiche (con forte presenza degli strumenti matematici) iniziata da Cosimo costituisce il nucleo pił antico delle collezioni di strumentazione matematica oggi conservate presso il Museo Galileo di Firenze.