Figlio di Cosimo II de'Medici e di Maria Maddalena d'Asburgo, nacque a Firenze il 14 luglio 1610.
Fu granduca di Toscana dal 1621 succedendo a Cosimo II. Sposò nel 1634 Vittoria della Rovere dalla quale ebbe due figli, Cosimo III nato nel 1642 e Francesco Maria nato nel 1660 oltre a due bambini morti poco dopo il parto.
Cercò di organizzare una lega degli stati italiani per mantenere la neutralità nella guerra dei trent'anni. Favorì le iniziative commerciali e gli studi sperimentali.
Morì a Firenze per un ictus il 23 maggio 1670, fu suo successore il figlio Cosimo III.