Figlio di Giovanni dalle Bande Nere e di Maria Salviati, nacque a Firenze il 12 giugno 1519.
Apparteneva ad un ramo secondario della famiglia in quanto discendente di Lorenzo il Vecchio, fratello di Cosimo il Vecchio, ma quando il duca Alessandro De' Medici venne assassinato dal cugino Lorenzino (5 gennaio 1537), Cosimo venne nominato suo successore.
Aveva soltanto diciassette anni e fino a quel momento aveva vissuto nel Mugello senza mai occuparsi di politica.
Agli avversari dei Medici fuoriusciti durante il governo di Alessandro altri se ne aggiunsero ed organizzarono un tentativo di abbattere il potere mediceo con l'aiuto degli stati limitrofi e della Francia, ma Cosimo reagì con grande prontezza inviando Alessandro Vitelli ad intercettare i nemici, che erano comandati da Pietro Strozzi, ed assediarli nel Castello di Montemurlo, fra Pistoia e Prato. Con una rapidissima operazione le truppe di Alessandro Vitelli espugnarono il castello (1 agosto 1537), Piero Strozzi e gli altri fuoriusciti furono catturati e giustiziati a Firenze.
Questo primo successo militare procurò grande prestigio al giovane Cosimo che chiese all'imperatore Carlo V la mano della figlia Margherita d'Austria, vedova di Alessandro, ottenne un rifiuto ma l'imperatore gli propose Eleonora di Toledo, figlia del vicerè di Napoli, che Cosimo sposò il 29 giugno 1538 nella chiesa di San Lorenzo a Firenze.
Fin dai primi anni di governo Cosimo I dedicò molte risorse alla costruzione di fortezza e fortificazioni in molti centri del suo dominio, in Toscana, in Romagna e nell'isola d'Elba.
Orientò la sua politica estera in favore dell'imperatore Carlo V al quale fornì ingenti aiuti finanziari in cambio di buone garanzie di indipendenza del suo stato.
Nel 1548 i suoi sicari raggiunsero ed uccisero a Venezia Lorenzino dei Medici eliminando l'unico possibile rivale di Cosimo.
Siena si ribellò all'imperatore nel 1552 rivolgendosi ai Francesi che inviarono ad occupare la città una guarnigione, scacciando quella spagnola.
Nel 1554 intervenne Cosimo che dopo aver sconfitto i Senesi in alcune battaglie ne assediò la città espugnandola il 17 aprile 1555. Nel 1557 l'imperatore Filippo II cedette Siena a Cosimo trattenendo soltanto alcuni territori costieri come Orbetello e Porto Santo Stefano.
Cosimo rinnovò l'organizzazione dello stato dal punto di vista amministrativo e giudiziario, promosse opere pubbliche e attività economiche ed artigianali.
In campo militare le sue iniziative, oltre alle già citate fortificazioni, riguardarono migliorie dell'esercito e della flotta e l'istituzione dell'Ordine Marinaresco di Santo Stefano (1561).
Nel 1569 ottenne dal papa Pio V il titolo di Granduca di Toscana, titolo che sarebbe dovuto provenire dall'imperatore e per questo motivo in un primo tempo non fu riconosciuto da Austriaci e Spagnoli.
Nel 1564 Cosimo rinunciò alla gestione del potere in favore del figlio Francesco e si ritirò a vita privata.
Negli ultimi anni, dopo aver perduto la moglie ed i figli Maria, Giovanni e Garzia morti di malaria, ebbe due figli naturali da Eleonora degli Albizi, quindi si risposò con Camilla Martelli dalla quale ebbe una figlia.
Morì il 21 aprile 1574.
Importantissime le sue opere a Firenze:

costruzione della Galleria degli Uffizi,

ampliamento di Palazzo Pitti, nel quale si trasferì dopo aver ottenuto il titolo di Granduca,

realizzazione del Giardino dei Boboli,

costruzione del Corridoio Vasariano fra Palazzo Pitti e Palazzo Vecchio.
Fondò l'Accademia e Compagnia dell'Arte e del Disegno.

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Riferimenti letteratura:

Giorgio Vasari Le vite dei più eccellenti pittori, scultori e architetti

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