Pochodził z bocznej gałęzi rodu Medyceuszy[3]. Jego matka, Francesca Salviati, była córką Jacopo Salviatiego i Lucrecji Medici siostry Leona X, natomiast ojciec, Ottaviano, pochodził z bocznej linii rodu Medicich. Zdobywał wykształcenie w domu pod kierunkiem dominikanina florenckiego Vincenzo Ercolano[3]. Od wczesnej młodości wykazywał predyspozycje do stanu duchownego, spotkał się jednak ze sprzeciwem matki[1], ponieważ był jedynym męskim dziedzicem gałęzi rodu. Matka wysłała go na dwór kuzyna, Wielkiego Księcia Toskanii Kosmy I, gdzie został m.in. mianowany rycerzem Zakonu św. Stefana[1]. Razem z księciem przebywał w Rzymie w 1560; poznał wówczas i zaprzyjaźnił się z Filippo Nerim, przyszłym świętym[2]. Neri przewidział kilka wydarzeń z przyszłości Mediciego, przede wszystkim wybór na papieża i niedługi okres pontyfikatu[3].
Po śmierci matki (1566) Medici zrealizował swoje plany wyboru stanu duchownego – święcenia kapłańskie przyjął 22 lipca 1567 z rąk Antonino Altoviti, arcybiskupa Florencji[3]. Wielki książę Kosma I mianował krewnego swoim ambasadorem przy Stolicy Świętej w 1569 roku.
W dniu 9 marca 1573 został mianowany biskupemPistoi, a 15 stycznia 1574 promowany na arcybiskupa Florencji[2]. 12 grudnia 1583 otrzymał nominację kardynalską, wraz z tytułem prezbitera Ss. Quirico e Giulitta (dawniej S. Ciriaco alle Terme)[3]. Wielokrotnie zmieniano mu tytuł prezbiterski – na Ss. Ioannis et Pauli (1591), San Pietro in Vincoli (1592), św. Praksedy (1594), bazylika św. Marii na Zatybrzu (1600). W 1600 został podniesiony do godności kardynała biskupa i otrzymał diecezję Albano, a następnie diecezję Palestrina (1602)[1].
W latach 1596–1598 przebywał we Francji z misją legata specjalnego i nuncjusza zwyczajnego; zajmował się zwalczaniem wpływów hugenotów oraz jednoczeniem i umacnianiem środowiska katolików[1]. Z nominacji papieża Klemensa VIII sprawował od 1598 funkcję prefekta Kongregacji ds. Biskupów i Zakonników[3].
Brał udział we wszystkich konklawe, jakie miały miejsce od czasu jego nominacji kardynalskiej – dwukrotnie w 1590, w 1591, 1592 i 1605[3]. Na tym ostatnim, 1 kwietnia 1605 sam został wybrany na papieża i przyjął imię Leona XI (na cześć wuja, Leona X)[2]. W Niedzielę wielkanocną 10 kwietnia został koronowany i uroczyście objął w posiadanie bazylikę na Lateranie tydzień później. Nie zdążył podjąć żadnych uchwał, choć wiadomo, ze planował wspomóc finansowo cesarza Rudolfa II w walce z Turkami[1]. Zdołał jedynie zreorganizować system głosowania podczas konklawe, a także zlikwidował część podatków, co spotkało się z radością Rzymian[1]. Zmarł w ciągu miesiąca w wyniku przeziębienia[1].
W czasie krótkiego pontyfikatu nie mianował kardynałów; podobno zamierzał mianować swojego kuzyna, Ottaviano de’ Medici.
