Under storhertugene Cosimo I og Francesco I av Toscana ble den utvidet til en idealby etter renessansens byplanidealer. Oppdraget med planlegging gikk til to av tidens mest kjente arkitekter, Bernardo Buontalenti og Alessandro Pieroni. Det ble anlagt en sekskantet bymur med bastioner i hjørnene og vollgrav utenfor. Innenfor murene ble gatene anlagt i et regulært rutemønster, med et sentralt torg formet ved å spare ut hjørnene i de fire kvartalene ved krysset mellom de to hovedgatene. Sumpdistriktene ble tørrlagt, og en kanal ble bygget mellom Livorno og Pisa. Storhertugdømmet Toscana begynte en storstilt sjømilitær Det var behov for å beskytte seg mot pirater langs kysten, og Livorno ble base for flåten.