Fill de Giovanni Mèdici dit dalle Bande Nere , d’una branca col·lateral dels Mèdici. Després de l’assassinat del duc de Florència Alexandre I (1537), els consellers Guicciardini, Valori i Acciaiuoli l’imposaren sobre Juli, fill il·legítim del duc; reconegut per Carles V, en rebé l’auxili per a vèncer els exiliats florentins que tenien el suport de França. Cosme s’enfortí en el poder minant les institucions parlamentàries tradicionals; es casà amb Elionor de Toledo, filla del virrei de Nàpols (1539), i amb l’ajuda de l’emperador es mantingué enfront de França i de Pau III. El 1555 ocupà la república de Siena, la qual annexionà. Intentà un redreçament de la Toscana, que no reeixí plenament, amb millores agràries i navals. El 1564 cedí una part de les funcions de govern el seu fill Francesc, conservant, però, el títol ducal.