Nel 1628 Ferdinando compì un lungo viaggio di formazione attraverso le corti europee, che comprese anche quella di Praga dove incontrò l'imperatore.
Tornato a Firenze, il 14 luglio dello stesso anno, al compimento della maggiore età, assunse in prima persona il governo del granducato. Non rinunciò tuttavia alla collaborazione delle due granduchesse né a quella dei fratelli, soprattutto Mattias e Leopoldo, cui affidò numerosi incarichi.
Gli anni del suo principato furono caratterizzati, fin dall'inizio, da una difficile situazione interna ed internazionale. Nel 1629-30 l'azione combinata di carestia e peste prostrò la popolazione toscana e l'economia, che già risentiva del declino dell'industria manifatturiera. Per la prima emergenza il granduca ristrutturò l'ufficio di Sanità di Firenze e prese numerosi provvedimenti allo scopo di limitare il contagio. Per risollevare la produzione e sostenere i ceti più disagiati, tra le iniziative più importanti anche se non risolutive ci fu l'istituzione di una Cassa per i lavoratori disoccupati e per i poveri (1630) e la concessione di un prestito di 40.000 scudi all'arte della seta. La tendenza generale, tuttavia, determinata anche dalle mutate condizioni internazionali e da una progressiva provincializzazione della Toscana rispetto ai flussi economici internazionali, distolse sempre più gli investimenti privati dal commercio e dalla finanza verso i beni immobili e fondiari.
Tra i più stretti collaboratori e nell'entourage del principe intanto si stava accentuando il fenomeno avviato già sotto Cosimo II, per cui agli uomini nuovi, ai tecnici, spesso di origine provinciale, che fino ad allora avevano affiancato i granduchi nella gestione del governo, si andarono progressivamente sostituendo aristocratici e grandi ecclesiastici.
Nei rapporti con le potenze europee, Ferdinando II cercò sempre di mantenere una posizione di neutralità, atteggiamento reso particolarmente difficile dai diversi conflitti, prima fra tutti la guerra dei trent'anni (1618-1648), che si successero nei decenni centrali del Seicento. L'unica guerra, peraltro senza conseguenze rilevanti, in cui il granduca intervenne apertamente e con il concorso del proprio esercito fu quella di Castro (1642-1644) cui partecipò a fianco di Venezia e Modena per contrastare le mire espansionistiche del papa Urbano VIII.
Grazie alla sua politica prudente Ferdinando II riuscì a mantenere buoni rapporti sia con la corte spagnola, da cui nel 1650 ottenne di poter acquistare Pontremoli, sia con quella di Francia, dove contava sul sostegno del cardinale Mazzarino, con l'aiuto del quale riuscì a combinare il matrimonio tra Margherita Luisa d'Orléans cugina del re Luigi XIV e il proprio figlio Cosimo.
Con la S. Sede, invece, Ferdinando II ebbe numerosi attriti, soprattutto durante il pontificato di Urbano VIII, nonostante la presenza di membri della famiglia Medici nel Collegio cardinalizio. Nel 1633, tuttavia, il granduca non si oppose alla consegna di Galileo Galilei all'Inquisizione, sebbene poi si prodigasse perché alla condanna al carcere si sostituisse l'obbligo di risiedere nella villa di Arcetri. Innocenzo X, divenuto papa nel 1644, dimostrò invece un atteggiamento più conciliante verso il granduca tanto da nominare cardinali due suoi fratelli, Giovanni Carlo e Leopoldo.
Ferdinando II morì a Firenze il 23 maggio 1670 a causa dell'idropisia di cui già da tempo soffriva.