1537年，科西莫派伯纳多·安东尼奥·德·美第奇出使神圣罗马帝国，以获得神圣罗马帝国皇帝查理五世对其佛罗伦萨统治者地位的承认。1537年6月，查理五世承认了科西莫的领导地位，但条件是佛罗伦萨要在意大利战争中帮助皇帝对抗法国。从此往后，美第奇家族一直统治着佛罗伦萨，直到家族的最后一位大公吉安·加斯托内·德·美第奇于1737年无嗣而终。在查理五世的帮助下，科西莫从帝国守备部队的手中解放了托斯卡纳。他尽可能的摆脱西班牙在意大利的巨大影响，使托斯卡纳的独立地位得到更大的提高。

接着，科西莫将目光转向了锡耶纳。在皇帝的支持下，科西莫于1554年的马尔恰诺战役中击败了锡耶纳人并且开始围攻他们的城市。尽管孤注一掷的锡耶纳人们奋勇抵抗，但在经过了15个月的围攻后该城于1555年4月17日沦陷。在经过了激烈的战争后，城内的居民从原来的四万减少到八千。1559年，锡耶纳最后的防线蒙塔尔奇诺被并入科西莫的领土。1569年，教皇庇护五世授予了他托斯卡纳大公的头衔。

在他统治的最后10年中，他的两个儿子接连死于疟疾，受到巨大打击的科西莫宣布退位，将大公之位传给了自己的继承人弗朗切斯科一世·德·美第奇。他则到佛罗伦萨之外的卡斯特略别墅内过着隐居生活。

科西莫是一个专制独裁的统治者，他通过雇佣瑞士雇佣军的保卫来巩固自己的政权。1548年，科西莫解决了他的亲属洛伦齐诺·德·美第奇——最后一位美第奇家族的对佛罗伦萨统治权的觊觎者。洛伦齐诺曾安排杀手刺杀科西莫的前任亚历山德罗·德·美第奇，而他自己也在威尼斯遇刺身亡。

由于佛罗伦萨境内经常有外国军队频繁通行，因此，科西莫也是军事框架的积极构造者。他在锡耶纳、阿雷佐、圣塞波尔克罗建造了新的堡垒，为比萨和菲维扎诺修筑了新的城墙，他还在厄尔巴岛的费拉约港上建造了新据点。科西莫在自己的领地内客以重税。尽管他财政拮据，但他却是位慷慨的艺术赞助家并且还发展了佛罗伦萨的海军。佛罗伦萨的海军最后还参加了勒班陀战役。科西莫还创建了圣史蒂芬勋章。

如今，科西莫最著名的成就可能就是建立了乌菲兹美术馆。科西莫建立该馆的目的最初只是为了通过控制各个委员会、政府机构和建立在佛罗伦萨共和国时期的协会来巩固自己的政权，但是它却成为了享誉世界的艺术藏馆之一。馆中的大部分藏品都是美第奇家族的众多成员拥有的或代为收藏的。

当科西莫只有十七岁时，他就委托尼科诺·特里博洛设计了卡斯特略别墅的花园。该花园的设计不仅展现出了佛罗伦萨黄金时期的风采也表现了美第奇家族的辉煌。花园内点缀着人工喷泉、迷宫般的道路、引人入胜的岩洞和别具一格庭园水景，它也是意大利文艺复兴式花园的雏形。对后来十八世纪意大利和法国花园的设计产生了深远的影响。

科西莫也建造了美第奇家族的住所——皮蒂宫，并且在皮蒂宫的背后又建造了宏伟壮丽的波波里花园。科西莫更是著名的艺术赞助者，他的赞助对象包括乔治奥·瓦萨里、本韦努托·切利尼、蓬托莫、布龙齐诺，建筑师巴尔达萨雷·兰奇，历史学家西皮奥内·阿米拉托和贝内代托·瓦尔齐等。

1598年，由詹波隆那制作的一尊科西莫一世的巨型青铜骑马像奠基，这座铜像直到当代还矗立在佛罗伦萨的主要广场领主广场上。

科西莫也是一名炼金术爱好者，这种激情遗传自他的祖母卡泰丽娜·斯福尔扎。