Annar hertoginn, Cosimo 1., jók mjög hernaðarumsvif og stækkaði hertogadæmið með kaupum á eynni Elbu og með því að leggja Siena undir sig. Árið 1569 var hertogadæminu því breytt í stórhertogadæmið Toskana. Medici-ættin fór með völd í stórhertogadæminu til 1737 þegar það gekk til Frans af Lothringen.