Fils illégitime de Julien de Médicis, duc de Nemours, il est nommé cardinal par le pape Clément VII en 1529. En 1532, il rejoint, en Hongrie, une expédition militaire luttant contre les Turcs. À son retour, il s’arrête à Bologne en 1533 et commande son portrait à Titien ainsi que le portrait de Giulia Gonzaga à Sebastiano del Piombo.
Fils de Cosme II de Médicis, il reçoit une éducation « humaniste » comprenant des leçons de peinture données par Sigismondo Coccapani et de sciences naturelles divulguées par Galileo Galilee. En 1637 et 1644, il sert son frère, Ferdinand II de Médicis comme gouverneur de Sienne. Il fait des visites officielles à Modène en 1639, Innsbruck en 1646 et Rome en 1650, puis devient cardinal en 1667. À sa mort, sa collection compte des gemmes, des dessins, des médailles mais aussi plus de sept cents peintures dont des tableaux exécutés sur pierre.