Immediatamente dal suo avvento al governo Cosimo III sollecitò inchieste e relazioni finalizzate ad una maggiore conoscenza del territorio e dell'economia dello Stato e dell'apparato fiscale, amministrativo e giudiziario in previsione di iniziative di riforma e razionalizzazione da intraprendere nei vari settori. Nel 1675 fu insediata una "Deputazione per la riforma dei Magistrati" formata da alcuni dei suoi principali funzionari (come Francesco Feroni ed Emilio Luci) con lo scopo di sottoporre a revisione l'assetto delle più importanti magistrature dello Stato, esaminarne i difetti e le storture, proponendo concrete iniziative di riforma.
Numerose furono in particolare le riforme riguardanti la giustizia, volte principalmente a razionalizzare procedure e ambiti di giurisdizione. Nel 1680, su proposta della "Deputazione per la riforma dei Magistrati", fu creata la Ruota criminale, tribunale penale costituito da giureconsulti, le cui competenze si sovrapponevano e in parte esautoravano quelle del tradizionale e antico magistrato cittadino degli Otto di guardia e balia. La vita del nuovo organo giudiziario fu però travagliata e breve: riformato nel 1683, fu soppresso nel 1699.
Sostanzialmente inefficaci e ispirati alle politiche tradizionali adottate dai suoi predecessori furono gli sforzi che Cosimo III compì per arginare le carestie che si ripeterono negli anni 1671 e 1678, affrontate con l'usuale divieto di incetta e con il calmiere sui prezzi, e la profonda crisi dell'industria manifatturiera, soprattutto laniera, contro la quale fu confermata la consueta politica protezionistica in difesa della produzione fiorentina.
L'iniziativa del granduca fu incisiva, invece, nel potenziamento e nella promozione di Livorno attraverso una riforma doganale che culminò nell'istituzione del portofranco (1676) e nella proclamazione della neutralità della città (1692).
A partire soprattutto dal 1690 si intensificarono le opere di bonifica, che coinvolsero la Val di Chiana, la Val di Nievole, la Maremma pisana e, in misura minore, quella senese, con lo scopo di migliorare la situazione agricola del principato ma anche quella delle fattorie medicee.
Nei rapporti internazionali e in ambito giurisdizionale Cosimo III manifestò una maggiore arrendevolezza nei confronti della S. Sede rispetto all'atteggiamento tenuto dai suoi predecessori. La sua devozione lo portò a pretendere da intellettuali e scienziati un'adesione stretta all'ortodossia cattolica tanto da vietare l'insegnamento della filosofia atomistica epicurea e gassendistica all'università di Pisa. Presso la curia il granduca poteva contare sull'appoggio e sul prestigio del fratello Francesco Maria, cardinale dal 1686, che nel 1700 promosse e ottenne l'elezione al soglio pontificio del candidato più vicino ai Medici, ossia del cardinale Gianfrancesco Albani, che assunse il nome di Clemente XI (1700-1721).
Verso le altre potenze Cosimo III cercò di mantenere una posizione neutrale e di non farsi coinvolgere nei conflitti che si scatenarono in Europa durante il suo principato. Non poté esimersi tuttavia dal contribuire alle guerre intraprese dall'imperatore e dai suoi alleati contro i Turchi e contro la Francia, limitando il più possibile l'invio di uomini e mezzi militari e optando soprattutto per gli aiuti finanziari. Le spese che questa adesione comportò e che poterono essere sostenute solo con l'introduzione di nuove gabelle e imposte sul reddito e con l'aumento del debito pubblico, andarono ad aggravare la crisi economica del granducato.
Uno dei problemi più pressanti e angosciosi per Cosimo III fu tuttavia quello della successione, in quanto nessuno dei due figli, Ferdinando e Gian Gastone, aveva avuto eredi né dava molte speranze di averne in futuro. Si prospettava perciò la possibilità dell'estinzione della dinastia. Dopo un tentativo precocemente tramontato di far accettare alle potenze europee la proposta di una restaurazione nello stato fiorentino dell'antica Repubblica, il granduca presentò al consesso internazionale la candidatura alla successione dell'elettrice palatina, nonché sua figlia, Anna Maria. Se in un primo momento l'imperatore sembrò accogliere la proposta, ogni speranza fu vanificata dal trattato di Londra (1718) con cui si stabiliva che in caso di mancata discendenza nella famiglia Medici, la Toscana dovesse essere assegnata a don Carlos, figlio di Filippo V di Spagna e di Elisabetta Farnese. Cosimo III protestò più volte, ma invano, contro questa soluzione. Alla sua morte, avvenuta il 31 ottobre 1723, gli successe il figlio Gian Gastone, destinato ad essere l'ultimo granduca Medici.