Alessandro de' Medici nacque nella prestigiosa e potente famiglia Medici di Firenze. Il padre era Ottaviano de' Medici, appartenente a un ramo collaterale, mentre la madre, Francesca Salviati, anch'essa medicea, era nipote di papa Leone X.
Dopo essere stato ordinatopresbitero, il 22 luglio1567, iniziò la vita ecclesiastica come pievano di Santo Stefano a Campi, per poi essere nominato dal cugino, Cosimo I di Toscana, ambasciatore della famiglia Medici presso papa Pio V, svolgendo questo ruolo nella Curia romana per molti anni, con reciproca soddisfazione dei granduchi e del papa.
Nonostante l'assenza fisica, seguiva continuamente da Roma la sua arcidiocesi; anzi nominò curati, fece riorganizzare gli archivi, prescrisse l'abito per il clero e fece restaurare il Palazzo Arcivescovile, gravemente danneggiato da un incendio nel 1533; sul palazzo ancora oggi campeggia il suo stemma, in un angolo con via de' Cerretani.
Venne nominato cardinale nel 1583 da papa Gregorio XIII, e solo allora fece il trionfale ingresso in città. Viene ricordato come un instancabile riformatore, promotore di restauri e abbellimenti in alcune chiese, e tra gli arcivescovi che più lasciarono un segno nella propria diocesi. Indisse un sinodo nel 1589 ed emanò numerosi editti.
Nel conclave del 1605, alla morte di papa Clemente VIII, apparve un po' a sorpresa tra i possibili candidati. Ma Filippo III di Spagna, ancora molto influente sul conclave, espresse chiaramente insoddisfazione per la candidatura, che appariva troppo filo-francese, proponendo anche cardinali di età molto giovane, ventenni, purché vicini al partito spagnolo. Questo fece gridare allo scandalo il cardinale Roberto Bellarmino, anch'egli papabile, che personalmente gli preferiva il cardinale Cesare Baronio. Enrico IV di Francia, d'altra parte, si impegnò molto per appoggiare il suo lontano parente. Il partito italiano, guidato dal cardinale Aldobrandini, parente del defunto papa Clemente VIII, finì con l'unirsi al partito filo-francese e il cardinale Medici venne eletto Papa il 1 aprile1605.
Scelse il nome Leone XI, ma lo stesso giorno dell'incoronazione, il 10 aprile, si ammalò, morendo il 27 aprile 1605, dopo appena 17 giorni di pontificato.