Figlio di Ferdinando I e Cristina di Lorena la quale,  dopo la prematura scomparsa del marito nel 1609, tenne la reggenza in vece del giovane figlio Cosimo II de' Medici, destinato a succedere al padre con il raggiungimento dei 21 anni.

L’educazione del giovane Cosimo fu curata dalla madre che lo indirizzò verso la filosofia e le scienze più moderne.

Nel 1608 sposò Maria Maddalena, arciduchessa d'Austria. Dall'anno seguente, a soli diciannove anni, fu il quarto granduca di Toscana.

Morì a soli trentun anni il 23 febbraio 1621. Dall'unione con Maria Maddalena d'Austria aveva avuto otto figli.

Durante il suo principato accolse e protesse Galileo Galilei assegnandogli una cattedra allo Studio fiorentino e donando allo scienziato la villa al Pian dei Giullari poté proseguire i propri studi. Al granduca Galileo dedica il trattato di astronomia Sidereus Nuncius, e nel quale inoltre, battezza "stelle medicee" i quattro satelliti da lui individuati intorno a Giove.

Cosimo II promosse gli spettacoli e protesse le arti, incrementando le collezioni di famiglia.Diede inizio all'ampliamento in facciata di Palazzo Pitti affidando i lavori agli architetti Giulio e Alfonso Parigi e proseguì nella sistemazione del giardino di Boboli, con l'aggiunta della vasta porzione lungo le mura fino a Porta Romana.

Nel 1618 ampliò i possedimenti medicei nella zona di Castello acquisendo, anche se per breve periodo, quella che diventerà Villa Corsini.