Completati gli studi di medicina a Padova nel 1582, esercitò la professione per molti anni in Croazia. Nel 1599 tornò a Venezia dove fece amicizia con Sarpi (1552-1623), Sagredo (1571-1620) e Galileo (1564-1642). Il suo adattamento del pendolo alla pratica medica fu probabilmente ispirato dalle discussioni con Galileo sugli esperimenti condotti da quest'ultimo con i pendoli nel 1602. L'impiego medico del pendolo fu descritto in un libro - Methodi vitandorum errorum ... in arte medica - pubblicato da Santorio alla fine di quell'anno o agli inizi del 1603. Fu un pioniere nell'impiego delle misurazioni fisiche in medicina; il suo dispositivo più famoso fu una grande bilancia usata per studiare le trasformazioni metaboliche. Tra i soggetti che si prestarono alla sperimentazione vi fu anche Galileo. Nel 1611 fu nominato professore di teoria medica a Padova. In quella città pubblicò descrizioni di congegni termometrici che probabilmente avevano tratto ispirazione dal termoscopio di Galileo.