Protettore di scienziati, appassionato di studi scientifici e promotore dell'eredità galileiana, ispirò e diresse, insieme al fratello Ferdinando II (1610-1670), i lavori sperimentali dell'Accademia del Cimento (1657-1667). Egli utilizzò l'Accademia anche come efficace strumento di "pubbliche relazioni", sia convocandola per "allietare", come spettacolo di Corte, ospiti illustri, sia facendone un tramite efficace per autorevoli contatti, come nel caso delle relazioni con le istituzioni di Parigi e di Londra. Da un punto di vista scientifico, il Principe mostrò particolare interesse per l'astronomia ed ebbe un fitto scambio epistolare con i maggiori ingegni d'Europa. Nel 1667, anno di chiusura dell'Accademia del Cimento, fu nominato Cardinale. Del suo patrimonio personale fecero parte, tra gli altri tesori, la lente di Galileo, i suoi cannocchiali, il giovilabio e le vetrerie dell'Accademia del Cimento. Alla morte di Leopoldo, nel 1675, questi oggetti entrarono a far parte delle collezioni medicee.