Architetto, scultore, pittore, miniatore e ingegnere militare, fu uno dei protagonisti dell'architettura toscana del XVI secolo. Nato nel 1536 e morto nel 1608, allievo di Michelangelo, fondò un'accademia di architettura che diffuse lo stile manierista fiorentino. Disegnò il Casino di S. Marco e l'ospedale di S. Maria Nuova, completò gli Uffizi (iniziati nel 1560 dal Vasari), dove progettò la Galleria e la Tribuna all'estremità meridionale del cortile. Per la Chiesa di Santa Trinita disegnò la facciata e la scala del presbiterio, che con gli audaci gradini a forma di conchiglia, scarsamente funzionali ma sicuramente decorativi, rappresenta la sua opera più bizzarra e geniale.
Nominato soprintendente alle fabbriche civili e militari del Granducato, fu l'architetto ufficiale di Francesco I, per il quale allestì il famoso Studiolo del Granduca in Palazzo Vecchio. Curò anche la realizzazione delle fortificazioni di Firenze, Prato, Livorno, Pistoia, Grosseto, Siena e dell'isola d'Elba. Inventò macchine da guerra, strumenti meccanici, automi, fuochi d'artificio, apparati e scenografie per le tradizionali feste di Corte. Da questa attività derivò il soprannome di "Buontalenti delle Girandole"
Tra le opere più celebri di Buontalenti sono da ricordare anche la villa e il giardino di Pratolino, la grotta grande nel giardino di Boboli, il Forte Belvedere, le ville di Artimino e Cerreto Guidi, i lavori a Poggio a Caiano, il porto di Livorno.