Nel Rinascimento, la maggiore attenzione alla pratica sperimentale nelle varie discipline del sapere produsse, in campo medico, uno sviluppo degli studi di anatomia. Sul finire del Quattrocento, Antonio Benivieni, medico dell'Ospedale di Santa Maria Nuova di Firenze, raccolse nella sua opera più di cento osservazioni cliniche, frutto di un attento esame necroscopico, per le quali è comunemente ritenuto il precursore dell'anatomia patologica.

Nello stesso periodo, il progresso delle conoscenze anatomiche procedeva di pari passo con lo sviluppo delle opere dedicate alla farmacologia e alla terapeutica: nel 1498 fu pubblicata a Firenze la prima opera di farmacopea, il Nuovo Receptario.

Nei primi anni del Cinquecento, Leonardo da Vinci si dedicò allo studio del corpo umano praticando la dissezione dei cadaveri nell'Ospedale fiorentino di Santa Maria Nuova: di questa attività ci restano numerosi disegni, giustamente ritenuti dei capolavori di anatomia scientifica. Le sue osservazioni, incentrate sulla comparazione tra il corpo umano e la macchina, rivoluzionarono la scienza medica tradizionale. Leonardo fu il primo a rappresentare segmenti dello scheletro e a ricorrere all'esempio della leva per spiegare i meccanismi delle articolazioni; rappresentò le fasce muscolari con fili o corde, mettendone in evidenza l'azione meccanica; negli studi sulle vertebre cervicali paragonò i muscoli che sorreggono il collo alle sàrtie che sostengono l'albero delle navi.

Nel Cinquecento erano già attive in Toscana, oltre ad un insegnamento di Chirurgia presso lo Studio pisano, varie scuole di chirurgia annesse ad ospedali, come la scuola dello Spedale del Ceppo di Pistoia e la Scuola Medico-Chirurgica dell'Ospedale di Santa Maria Nuova di Firenze. Proprio nell'ospedale fiorentino, per volere di Cosimo I de' Medici, tutti i medici ed i chirurghi della Toscana dovevano sostenere l'esame di abilitazione alla professione medica. In questi anni, la chirurgia, grazie anche al fondamentale contributo di Andrea Vesalio negli studi anatomo-fisiologici (De humani corporis fabrica, 1543), non è più considerata un'arte inferiore lasciata esclusivamente ai cerusici e ai barbieri, ma una materia destinata ad entrare nel curricolo del medico.

Nell'ambito della galileiana Accademia del Cimento (1657-1667) fu ideato, a partire dal termoscopio, il termometro fiorentino ad alcool. Lo strumento, oltre ad avere un uso meteorologico, fu usato anche in campo medico. Una variante dello strumento, il cosiddetto termometro a ranocchietta, fu utilizzato per misurare la temperatura del corpo umano (i termometri dell'Accademia sono oggi conservati presso l'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze). L'attività degli accademici si avvalse dell'uso di uno strumento decisivo, il microscopio, uno strumento inventato all'inizio del Seicento.

Un passo decisivo nello sviluppo della medicina, soprattutto sotto il profilo della ricerca sperimentale, è rappresentato dalle geniali ricerche del medico aretino Francesco Redi che, con una procedura sperimentale esemplare, dimostrò l'infondatezza della generazione spontanea. Un altro accademico del Cimento, Giovanni Alfonso Borelli, compì importantissimi studi sulla struttura ossea degli animali in rapporto al loro peso e movimento. Particolarmente significativi risultarono anche gli studi di Lorenzo Bellini, un allievo di Borelli, che, nel 1653 spiegò come nel rene avvenga la separazione dal sangue di quella che egli definì una "sierosità superflua", cioè l'urina.

Le osservazioni sulla circolazione sanguigna, avviate grazie al fisiologo inglese William Harvey che aveva identificato nel cuore la pompa che regola meccanicamente la dinamica dei movimenti circolatori, furono sviluppate in Toscana nel Seicento da Marcello Malpighi. Utilizzando il microscopio, Malpighi provò, nel 1661, l'esistenza dei capillari sanguigni nei quali avviene il collegamento tra i sistemi vascolari venoso e arterioso. In Toscana furono compiuti anche i primi esperimenti sulla trasfusione di sangue: nel 1654 Francesco Folli da Poppi, prendendo spunto dalle sue personali esperienze sugli innesti delle piante, effettuò trasfusioni pensando che esse potessero curare malattie e fortificare le persone deboli di costituzione.

Nel Settecento, Giovan Battista Morgagni, una delle maggiori figure nell'ambito degli studi medici, definì il rapporto causale tra le malattie e le lesioni anatomiche degli organi colpiti, osservazioni che, ancora oggi, gli valgono il titolo di fondatore dell'Anatomia Patologica. In Toscana gli studi anatomici si arricchirono ancora grazie all'opera dell'abate Felice Fontana. Egli realizzò nel Museo di Fisica e Storia Naturale un laboratorio di ceroplastica per la realizzazione di parti anatomiche a scopo didattico, collaborando con famosi ceroplasti alla preparazione delle cere anatomiche oggi conservate alla Museo della Specola di Firenze.

Nel 1756 la Toscana fu colpita da una violentissima epidemia di vaiolo. Il medico granducale Giovanni Targioni Tozzetti praticò su sei trovatelli degli innesti del virus di vaiolo vaccino; questa pratica, di recente sperimentazione, non godeva dell'unanime approvazione da parte del mondo scientifico: il riformismo illuminato dei Lorena conferì alla Toscana il primato nella battaglia per l'affermazione di questo tipo di profilassi. Lo stesso Granduca Pietro Leopoldo di Lorena si sottopose a vaccinazione su consiglio della madre, l'Imperatrice d'Austria Maria Teresa, che aveva contratto il virus nel 1767: fu il medico Angelo Gatti a praticare l'inoculazione al Granduca nella Villa di Poggio Imperiale alle ore 11 del 13 maggio 1769.

Negli ultimi anni del Settecento, la Toscana accolse le premesse per la costituzione della psichiatria come disciplina dotata di un proprio status. Vincenzo Chiarugi, nel suo fondamentale lavoro Della pazzia in genere e in specie, considerò le malattie mentali alla pari delle altre patologie e ritenne che la cura degli alienati dovesse avvenire in apposite strutture e non in luoghi di segregazione come era avvenuto fino a quel momento. A tale scopo l'ospedale fiorentino di Bonifazio fu destinato ad accogliere i malati di mente prima ospitati nell'ormai inadeguato ospedale di Santa Dorotea che, verso la fine del Settecento, era stato il modello per il nuovo Ospedale Psichiatrico di Lucca. La nuova sensibilità verso questo genere di patologie portò nell'Ottocento alla creazione e alla riorganizzazione di ulteriori impianti ospedalieri, strutturati in conformità alle nuove esigenze: ne sono esempio l'ex Ospedale psichiatrico di San Niccolò di Siena, l'ex Ospedale Psichiatrico di San Salvi a Firenze e l'ex Ospedale Psichiatrico di Arezzo.

Importanti novità avvennero anche nel campo dell'ostetricia. Giuseppe Vespa, formatosi alla Scuola Ostetrica di Parigi, iniziò il suo insegnamento nell'Ospedale di Santa Maria Nuova di Firenze verso la metà del Settecento, appena pochi mesi dopo l'istituzione, a Bologna, della prima cattedra italiana di Ostetricia. A lui si deve l'attuazione delle Condotte Ostetriche disponendo, in ogni quartiere della città, una levatrice e un chirurgo cui ricorrere in caso di necessità. Ogni chirurgo era aiutato da due tra i migliori studenti di chirurgia: le Condotte rappresentarono così anche un punto di riferimento didattico oltre ad un presidio importante per l'organizzazione delle emergenze.

Si deve a Paolo Mascagni, di cui ci resta uno studio fondamentale sui vasi linfatici, la più bella opera anatomica ottocentesca: nel 1823, sette anni dopo la sua morte, uscì a Pisa la Anatomia universa, monumentale lavoro a cui lo scienziato si era dedicato per anni.

L'Ottocento segnò un momento determinante nell'ambito degli studi medico-biologici, con la definizione di questioni quali la riproduzione, la determinazione del sesso e l'ereditarietà. In Toscana, rilevante è l'attività del modenese Giovanni Battista Amici: le sue innovazioni nel campo della costruzione dei microscopi dettero all'anatomia efficaci strumenti per studiare la struttura dei corpi minuti. Il pistoiese Filippo Pacini, primo in Italia a tenere un corso di Anatomia microscopica, scoprì nel 1853, ancora studente, i corpuscoli che determinano il tatto, descrisse la struttura della retina e, antesignano della batteriologia, descrisse il vibrione del colera. Egli fu, insieme a Pietro Betti e a Maurizio Bufalini, tra i fondatori della Società Medico Fisica fiorentina presso la quale fu istituito il Museo Patologico.

L'articolata storia della sanità in Toscana si può parzialmente ripercorrere a partire dall'antico Spedale di Santa Maria della Scala, nella cui cerchia di influenza ricadevano numerose fattorie fortificate, come la Grancia di Cuna o la Grancia di Serre che, oltre a provvedere al mantenimento del centro principale, offrivano accoglienza e cure ai viandanti. Tra gli istituti di assistenza non vanno, inoltre, dimenticati alcuni fra i più importanti ospedali storici della Toscana (l'Ospedale della Misericordia e Dolce di Prato, lo Spedale del Ceppo di Pistoia, l'Ospedale di Santa Chiara di Pisa, l'Ospedale degli Innocenti e quello di San Giovanni di Dio di Firenze), oltre a numerose confraternite di Misericordia, di cui costituisce eloquente esempio il Museo della Confraternita di Anghiari. Degne di interesse in relazione alla storia della sanità, infine, oltre alle varie località termali, le numerose farmacie storiche sparse per il territorio, tra cui segnaliamo, in particolare, l'Officina Profumo Farmaceutica di Santa Maria Novella a Firenze, la Spezieria di Santa Fina a San Gimignano, la farmacia dell'Archicenobio di Monte Oliveto Maggiore, la farmacia del Monastero di Camaldoli, la farmacia del Santuario de La Verna, la Spezieria dello Spedale Serristori a Figline Valdarno e la farmacia della Certosa di Calci.