Nel 1739 venne nominato prefetto della Biblioteca Magliabechiana e si occupò per vari anni dell'ordinamento del vastissimo materiale librario. Ciò gli dette inoltre l'occasione di dedicarsi anche ad un altro dei suoi interessi, lo studio della storia. In questo campo si interessò in particolare della storia della Toscana: dai suoi studi nacque l'opera "Viaggi fatti in diverse parti della Toscana per osservare le produzioni naturali e gli antichi monumenti di essa", di cui esistono due edizioni: la prima in sei volumi (Firenze 1751-54), e la seconda in dodici volumi (1768-79). Questa opera, scritta con la collaborazione di Ferdinando Morozzi, costituisce una fondamentale descrizione della Toscana dal punto di vista sia storico che scientifico. Le notizie contenutevi spaziano dalla botanica (in special modo per quanto riguarda la patologia vegetale "ante litteram") alla medicina, dalla zoologia alla mineralogia per arrivare all'architettura. Sicuramente però uno degli aspetti più interessanti dei "Viaggi fatti in diverse parti della Toscana" è quello geografico: Targioni Tozzetti infatti perseguiva il proposito di definire una mappa "letteraria" della sua regione, intento conseguito con grande precisione e cura.