Pave Pius V gjorde ham til storhertug av Toscana i 1569. Han styrket sin stilling ved en storstilt bygging av festningsbyer, blant dem Siena, Arezzo, Pisa og Livorno, Portoferraio på øya Elba, og Terra del Sole. Han etablerte Toscana som en sterk sjømilitær makt i Middelhavet ved å utbygge landets marine, som deltok i slaget ved Lepanto i 1571.