Nel 1549 la "comunitas" di Bibbona cede la tenuta di Cecina alla moglie del Granduca di Toscana, Eleonora di Toledo. Negli ultimi anni del Cinquecento, per volontà di Ferdinando I de' Medici, sorgono quindi il Fitto, un palazzo amministrativo cui vengono affiancati un nuovo ponte di legno e la Magona del Ferro, una fonderia.

Grazie alla sua nuova appartenenza al Granducato di Toiscana, Cecina vede finalmente lanciata la sua economia. Il forno fusorio, posto in una posizione dalla quale può vantaggiosamente assicurarsi sia legname per il fuoco (attraverso il "vincolo magonale" che impediva il taglio dei boschi agli abitanti dei borghi limitrofi) che acqua, funzionerà fino agli inizi del XIX secolo. Nel Seicento si sviluppano altre attività produttive legate alla metallurgia, oltre che l'allevamento, sempre sotto il controllo diretto del Granducato. Ne risente l'agricoltura, che si vede limitata la sua estensione territoriale.
La tenuta di Cecina beneficia infine di una vasta opera di bonifica, intrapresa dai Medici ma portata a compimento soprattutto dagli Asburgo-Lorena, successori dell'antica dinastia a partire dal 1737. Nel 1739 il Granduca Francesco II cede il territorio di Cecina al senatore Carlo Ginori, che con le sue opere avvia la prima vera e propria "colonizzazione" di Cecina. Ginori, infatti, provvede al disboscamento, al consolidamento di una rete idrica e alla messa in produttività di vaste porzioni di terreno incolte.
L'Ottocento è il secolo che ha visto esplodere demograficamente Cecina e la sua vallata, grazie alla conclusione delle opere di bonifica. Tornato in mano al Granducato, il territorio viene diviso in due parti: una collinare, lasciata boschiva ad uso della Magona, l'altra pianeggiante, che viene venduta a privati dopo essere stata allivellata, tra il 1832 ed il 1846. Iniziano così a sorgere decine di nuove case coloniche. Il nucleo urbano della futura città e il mercato principale si sviluppano invece intorno al Fitto, l'antico palazzo mediceo.
Sul finire dell'Ottocento l'economia locale muta radicalmente con la chiusura della Magona del ferro ed un processo di diversificazione produttiva che indirizza l'industria cecinese verso nuove attività, soprattutto nel settore alimentare. Inoltre, a partire dagli anni Venti, si sviluppa il turismo balneare che porterà alla crescita di Marina di Cecina, il cui viale di collegamento viene tracciato nel 1933.