Позднее, во взрослом возрасте, принц предпочитал избегать всех юношеских развлечений. Он сторонился девушек, посвятил себя только религиозным практикам и церковному пению. Вместо путешествий он предпочитал паломнические поездки, откуда привозил мощи святых. Его религиозность была настолько сильной, что казалась уже просто патологической: Козимо говорил только о мученической смерти, о спасении души, читал только Библию, теологические трактаты и рассказы о чудесах, которые совершали святые. Вскоре юноша совсем забросил спорт и охоту, вместо этого он совершал прогулки по святым местам. Принц очень любил маленькие сельские церкви и посещал по несколько храмов в день. В конце концов, Козимо превратился в довольно угрюмого, нелюдимого человека, который никогда не улыбался, не смеялся. Он ужасно боялся смерти и страшных мучений в аду – этот страх активно культивировала в нем его мать Виктория делла Ровере.

В молодости внешность у Козимо была очень приятная, как у всех Медичи: темные волнистые волосы, большие, темно-карие выразительные глаза, овальное лицо, пухлые губы. Недостатком была склонность к полноте, которую он унаследовал от матери. Поэтому, несмотря на регулярные посты, Козимо уже в молодости был достаточно упитанным человеком. В те времена во Франции Людовик XIV ввел моду на парики. Говорят, это произошло из-за того, что он начал лысеть. Герцоги Медичи тоже начали носить парики, несмотря на то что волосы у всех были хорошие. Мода есть мода, все ей следовали.

Несмотря на религиозное воспитание, Козимо унаследовал любовь к науке и искусству. Это было характерно для всех представителей династии Медичи – от наследственности никуда не денешься. В особенности принца привлекали естественные науки: зоология и ботаника. Он занимался с придворным врачом Франческо Реди на виллах Медичи за городом, где с удовольствием собирал редкие ботанические виды растений, экзотических животных и насекомых, которых часто привозили по его заказу из дальних стран. Особенно сильное любопытство у Козимо вызывали ужасные, деформированные животные и растения. Впоследствии, будучи герцогом, он основал Флорентийское ботаническое сообщество вместе с известным в те времена ученым-биологом Пьером Антонио Микели, основателем науки о грибах микологии. Часть коллекций Козимо находится сейчас в Национальном музее антропологии и этнологии во Флоренции. В 1660 году родился его младший брат Франческо Мария, и внимание религиозной матери переключилось на новорожденного. В это время отец наследного принца Фердинанд II вел переговоры о браке старшего сына.