Nacque a Cento, presso Ferrara, il 22 dicembre 1550 in una famiglia di pittori. Frequentò lo Studio di Ferrara prima con l'intenzione di leggere il diritto e poi indirizzandosi verso la filosofia. Dal 1578 al 1589 insegnò filosofia naturale a Ferrara e nel novembre del 1590 si trasferì a Padova per sostituire, ancora una volta nella lettura di filosofia naturale, Iacopo Zabarella e affiancare nell'insegnamento Francesco Piccolomini.
Nella nuova Università, Cremonini pronunziò la sua prima orazione il 27 gennaio 1591 (Exordium habitum Patavii VI Kal. Febr. 1591) e si impegnò immediatamente in una dura opposizione contro i gesuiti della Provincia veneta che avevano deciso di fondare un nuovo Studio in città. Nel gennaio 1600, insieme a Galileo, fu tra i soci fondatori dell'Accademia dei Recovrati, e nel 1601 venne promosso sulla prima cattedra di filosofia naturale dello Studio.
Sebbene Cremonini avesse stretto con Galileo una salda amicizia e insieme a lui fosse sottoposto a un procedimento inquisitoriale, non mancarono tra i due alcuni dissapori di carattere scientifico, dovuti in primo luogo alla novità e ai temi dell'insegnamento del matematico toscano. Il dissenso verteva in particolare sulla valutazione dei fenomeni cometari, sulla effettiva esistenza delle scoperte astronomiche esposte nel Sidereus Nuncius, e intorno al valore e all'efficacia del cannocchiale, che Cremonini derideva apertamente e si rifiutava di utilizzare. Il suo aristotelismo tuttavia non fu ortodosso ed egli avanzò numerose proposte innovative anche nelle materie astronomiche, leggendo integralmente i testi aristotelici e coltivando talune concezioni naturalistiche radicali che non furono affatto gradite dall'Inquisizione. Nel 1613 egli dette alle stampe a Padova una Disputatio de coelo che venne segnalata alla censura ecclesiastica e fu immediatamente fatta oggetto di un accurato esame critico conclusosi c
on la redazione di numerose obiezioni alle quali Cremonini venne costretto a replicare, prima con la redazione di una Responsio e quindi con la Apologia dictorum Aristotelis de quinta coeli substantia, stampata nel 1616. Sanzionato ancora una volta dall'Inquisitore veneto venne costretto a rettificare ulteriormente la propria posizione e a difendersi con un'opera intitolata De coeli efficientia, che però non ebbe il consenso per la stampa. I dissensi con la censura ecclesiastica perdurarono almeno fino al 1626, ma non incisero sui suoi successi accademici. Forse giovarono alla sua fama di professore, che fu sempre fiorente, e che gli guadagnò una larga schiera di allievi e di seguaci, fra i quali pare abbia militato anche William Harvey.
Nel corso degli anni venti Cremonini si impegnò tenacemente in un'ampia difesa delle tesi mediche aristoteliche, tentando di dimostrarne la superiorità rispetto a quelle galeniche. Stampò a questo scopo nel 1626 l'Apologia dictorum Aristotelis de calido innato adversus Galenum, e un anno dopo l'Apologia dictorum Aristotelis de origine et principatu membrorum adversus Galenum. Scrisse anche una dura confutazione dell'astrologia giudiziaria e dei suoi metodi che però vide la luce molti anni dopo la sua redazione, postuma, insieme ad altre opere di filosofia naturale. Cremonini coltivò anche spiccati interessi letterari e pubblicò alcune raccolte poetiche. La sua fama di commentatore aristotelico e di filosofo naturale attrasse a Padova numerosi visitatori. Morì a Padova il 19 luglio 1631, due anni dopo aver lasciato l'insegnamento, carico di onori e di riconoscimenti.
Nelle Osservazioni intorno alle vipere del 1664 Redi istituì un preciso accostamento tra la propria battaglia contro i professori di peripatetismo dell'epoca e quella condotta da Galileo contro la cieca protervia ideologica degli aristotelici di inizio Seicento: battaglia che, com'è noto, aveva impedito a Cremonini di accostare l'occhio al telescopio. Redi si compiaceva di sottolineare che egli portava avanti, contro il pregiudizio della generazione spontanea ed utilizzando il microscopio, quella stessa campagna di liberazione dai retaggi del passato e dalla schiavitù dei pregiudizi antichi che Galileo aveva condotto nel macrocosmo, utilizzando la forza rivoluzionaria del telescopio. Agli occhi di Redi, Cremonini rappresentava il prototipo di quei "protervissimi settari" che, "per lo soverchio, e, per dir così, rabbioso amore che portano al capo della loro scuola", preferivano mettersi "le mani avanti a gli occhi" piuttosto che ammettere un'esperimento contrario alle loro idee. "E so di certo - prose
guiva Redi con evidente allusione a Cremonini -, che un profondo maestro in iscrittura peripatetica, e molto venerabile uomo, per non esser necessitato a confessar vere le non più vedute stelle e l'altre curiose novità ritrovate in cielo dal Galileo, non volle mai all'occhio adattarsi l'occhiale".