Con lo Statuto del 1545, Cosimo riuscì a migliorare la qualità della didattica, rendendo l'ateneo pisano uno dei più importanti d'Europa per l'insegnamento e la ricerca.
Il Duca istituì una cattedra di "Semplici"  e vi chiamò Luca Ghini: tra 1543 e 1544 fu fondato il Giardino dei Semplici, il primo orto botanico al mondo annesso a uno Studio universitario.
Qualche decennio più tardi l'orto fu spostato nell'attuale sede, situata a poche decine di metri da piazza dei Miracoli, su una superficie diventata con il tempo di circa tre ettari, con 6 000 piante coltivate e semi scambiati con 400 altre strutture nel mondo.
A Ghini successe il filosofo e scienziato Andrea Cesalpino, a cui si deve il primo metodo scientifico per la classificazione delle piante e che può essere considerato un precursore della scoperta della circolazione del sangue.