Né à Florence, il était le fils de Pierfrancesco de Médicis le Jeune et de Marie Soderini. Après la mort de son père en 1520, il fut élevé par sa mère et ses tuteurs furent John Francis Zeffi et Varino Favorino de Camerino à la Villa Medicea del Trebbio où il grandi au côté de Cosme 1er de Médicis, futur Duc de Florence.
En 1526 il fut conduit avec son jeune frère Giuliano et avec Cosimo à Venise pour échapper aux agitations à Florence. Un an plus tard, suite au sac de Rome qui a profondément déstabilisé le Pape Clément VII, membre le plus puissant de la famille Médicis, ceux-ci furent chassés par les florentins une nouvelle fois.
En 1530, il se rendit à Rome, où il acquis la mauvaise réputation de coupe tête des statues anciennes, qui lui a valu d’être banni de la ville et le surnom de Lorenzaccio.
De retour à Florence la même année, il est devenu le compagnon inséparable du duc Alexandre de Médicis, récemment restauré dans la direction de la ville. Compagnon de ses excès, des actions criminelles, dissolues et libertines et de ses débauches.
A la mort d’Alexandre de Médicis, ce fut Cosme 1er de Toscane qui fut alors choisi comme nouveau duc de la ville avec la bénédiction de Florence et Charles Quint.
Lorenzino, cependant, fut contraint de fuir et se réfugia d’abord à Bologne, puis à Venise, protégé par Mgr Giovanni Della Casa. La même année, il rejoint les troupes du florentin Philippe Strozzi pour lutter contre Cosme 1er et se battit à la bataille de Montemurlo.
Redoutant les assassins de Cosme, il voyageait beaucoup à Constantinople, puis en France protégé par Catherine de Médicis où il vécu quelques années, de 1537 à 1541. En 1542 il alla de nouveau en Toscane pour tenter d’empêcher Cosme 1er d’unifier l’état de Toscane, avant de retourner à Venise. En 1544 retour en France, puis de nouveau à Venise.
Le 26 Février 1548, l’envoyé de Cosme 1er, John Francis Lottini, organisa l’assassinat de Lorenzino qui fut percé de coups de couteaux par deux hommes, en face de la maison de son amante Elena Barozzi sur la Campo San Polo.