Козимо II Медичи родился во Флоренции 12 мая 1590 года. Он был старшим сыном Фердинандо I Медичи, великого герцога Тосканского, и Кристины Лотарингской. Получил хорошее образование. В 1605—1608 годах его учителем был Галилео Галилей. В 1608 году его женили на эрцгерцогине Марии Магдалине Австрийской, дочери Карла II Австрийского. На следующий год, после смерти отца, он вступил на трон великого герцогства Тосканского.
Политика Козимо II основывалась на постоянном лавировании между королевствами Испании и Франции. Козимо II лично способствовал заключению брака короля Людовика XIII Французского с Анной Австрийской. Много сил и средств Козимо тратил на развитие флота Тосканы и развитие порта Ливорно. Тосканский флот отличился в нескольких сражениях против османского флота.
Великий герцог всегда проявлял большой интерес к науке. В 1610 году он пригласил Галилео Галилея вернуться во Флоренцию, предоставив ему почётное и хорошо оплачиваемое место своего советника и личного представителя. Последний даже называет открытые им спутники Юпитера «Звездами Медичи». (Спутники были открыты Галилео Галилеем 7 января 1610 (первое наблюдение) с помощью его первого в истории телескопа. Сегодняшние названия галилеевых спутников были предложены Симоном Мариусом в 1614, однако в течение долгого времени они практически не использовались. Галилей назвал четыре открытые им спутника «звездами Медичи» (в честь четырёх братьев Медичи) и присвоил им порядковые номера и лишь с середины XX века привычные нам названия стали общеупотребительными). Галилео Галилей также руководил обучением детей Козимо II.
Козимо II Медичи скоропостижно скончался 28 февраля 1621 года во Флоренции, в возрасте 31 года.
Портрет Козимо II Медичи с супругой и сыном (Фердинандо II), работы фламандского живописца Юстаса Сустерманса.
