Nacque a Padova il 13 giugno 1555 e conseguì la laurea a Bologna nel 1579. Immediatamente dopo la conclusione del corso di studi venne incaricato di compilare una serie di efemeridi astronomiche che preparò per le stampe nel 1582 (Ephemerides coelestium motuum). Guadagnatasi una solida fama di astronomo e di matematico venne prescelto nel 1588 per affiancare Pietro Cataldi su una delle due cattedre di matematica dello Studio bolognese, superando l'allora giovane Galileo. Attraverso lo studio delle opere di Euclide tentò una parziale applicazione della geometria agli studi astronomici e preparò una teorica planetaria accordata con le osservazioni del movimento degli astri fatte da Copernico (Novae coelestium orbium Theoricae congruentes cum observationibus Nicolai Copernici, 1592).
L'aderenza matematica non significò mai adesione ai principi cosmologici generali, tanto che Magini restò sempre un astronomo di stretta osservanza tolemaica e combatté l'eliocentrismo. Nel 1592 stampò a Venezia due opere matematiche, il De planis triangulis liber unicus e la Tabula tetragonica, una tavola trigonometrica nella quale veniva per la prima volta adottata la terminologia matematica ancora oggi in uso. Lavorò continuamente all'aggiornamento delle sue efemeridi e preparò delle Tabulae generales ad Primum Mobilem spectantes che vennero stampate nel 1609. Studiò a lungo gli specchi e pubblicò un trattato sugli effetti di quelli concavi. Insieme agli studi astronomici approfondì quelli astrologici, scrivendo moltissime operette di astronomia giudiziaria e guadagnandosi il sostegno della corte dei Gonzaga a Mantova, presso la quale risiedette spesso come astrologo ducale. Mantenne un fitto carteggio con Thyco Brahe, Johann Kepler e numerosi altri scienziati del suo tempo.
Magini fu anche un ottimo geografo e cartografo. Pubblicò nel 1596 una Geographiae universae, concepita originariamente come un commento alla concezione geografica tolemaica ma di fatto estremamente avanzata nel taglio d'indagine e nelle questioni affrontate, tra le quali quella della rappresentazione topografica delle regioni terrestri. Concepì anche il progetto della compilazione di un atlante completo d'Italia, provvisto di singole mappe per ogni stato, di un'esatta nomenclatura e corredato da un buon numero di notizie storiche. L'opera vide la luce postuma, grazie alle cure del figlio Fabio, nel 1620. Magini morì a Bologna l'11 febbraio 1617, tormentato, a causa della sua attività astrologica, dalle indagini dell'Inquisizione ecclesiastica che gli aveva requisito tutto il corpo delle sue carte e la biblioteca privata.