Cosimo I er også kjent for sin støtte til kunst, arkitektur og vitenskap. Han var byggherre for Uffizi-galleriet i Firenze, opprinnelig et kontorbygg for hans administrasjon, senere omgjort til kunstgaller. Han overtok og fullførte Palazzo Pitti og gjorde det til familiens residens og anla Boboli-hagene bak palasset. I hans tid ble Universitetet i Pisa utbygget, og han støttet billedkunsten ved å bestille verker av bl.a. Cellini, Vasari, Bronzino og Pontormo. Hans rytterstatue fra 1598, utført i bronse av Giambologna, står fremdeles på Piazza della Signoria, sentralplassen i Firenze.