Orientat a la vida religiosa des del seu naixement, la seva trajectòria fou fulgurant gràcies a les influències de la seva família dins de la cort papal. Així el 31 de gener de 1560 fou nomenat cardenal pel papaPius IV i el 19 de juny del mateix any arquebisbe de la ciutat de Pisa, si bé mai no fou consagrat donada la seva joventut.
Malalt de tuberculosi, va morir prematurament el 1562 a causa de la malària contreta quan es trobava a Livorno amb la seva mare i el seu germà Garcia, que moriren dies més tard. El seu cos fou traslladat a Florència, on fou sepultat a la Basílica de Sant Llorenç d'aquesta ciutat, i a la seva mort el seu germà petit, Ferran de Mèdici, fou nomenat cardenal.