La condanna di Galileo Galilei nel 1633 proclamò eretica la concezione copernicana, ma non l'uso astronomico del cannocchiale che aveva già svelato insospettati fenomeni celesti. In questa contingenza storica l'Accademia del Cimento assunse la fisionomia d'un alto tribunale scientifico - autorevolmente presieduto da Leopoldo de' Medici - chiamato a dirimere dispute astronomiche. Per esempio, gli accademici verificarono con osservazioni ed esperimenti in che misura le strane apparenze telescopiche di Saturno derivassero dalla qualità degli strumenti impiegati da Christiaan Huygens e da Eustachio Divini. Nella successiva vicenda dei "paragoni", oltre a cercare di dirimere la competizione fra Divini e Giuseppe Campani per aggiudicarsi il primato di miglior ottico del tempo, gli accademici cercarono un metodo oggettivo per misurare la qualità d'un cannocchiale. In questi come negli altri ambiti d'indagine toccati, gli accademici badarono sempre a non entrare in conflitto con l'autorità religiosa. Ciò spiega perché si evitò a lungo di rendere pubblici i pareri astronomici dell'Accademia, spesso favorevoli all'eliocentrismo.

Giovan Battista Baliani e Galileo compirono i primi tentativi per confutare la credenza tradizionale dell'orrore della natura per il vuoto (horror vacui). La tesi dell'orrore del vuoto, che trovava fondamento nella Fisica di Aristotele, veniva impiegata per spiegare molteplici fenomeni naturali: il sollevamento dell'acqua operato dalle pompe, l'ascesa dell'acqua nei sifoni, la difficoltà di separare superfici perfettamente levigate a contatto, ecc. Ancora dalla Fisica di Aristotele e, in particolare, dalle sue teorie dei quattro elementi (fuoco, aria, acqua e terra) e dei luoghi naturali, derivava la convinzione tradizionale che l'aria non esercitasse alcun peso. Queste concezioni dominarono quasi incontrastate fino a metà del secolo XVII.

L'impulso osservativo scaturito dalle esperienze barometriche, avviate da Torricelli, che avevano evidenziato la connessione dei movimenti del mercurio non solo con le variazioni del peso dell'aria, ma anche con i cambiamenti di temperatura e di umidità, aprì nuovi orizzonti per la termometria (già oggetto di riflessioni e tentativi di misurazione da parte di Galileo) e per l'igrometria. In queste nuove discipline vennero misurandosi con profitto gli accademici del Cimento, che misero a punto pionieristici strumenti di misura della temperatura e dell'umidità. I primi apparecchi termometrici e igrometrici presentavano fogge bizzarre ed eleganti, rispecchiando emblematicamente l'integrazione quasi programmatica tra arte e scienza nella corte dell'età barocca.

Oltre che sulla barometria e sulla termometria, gli accademici condussero sperimentazioni sistematiche su molti altri settori della filosofia naturale. Nel corso dei dieci anni di attività del Cimento vennero complessivamente allestite oltre 500 sessioni sperimentali su una grande varietà di fenomeni diversi. Lo spunto per le sperimentazioni era offerto dal suggerimento dei Principi, dalla proposta di uno dei membri o dall'esame di testi accreditati di filosofia naturale per sottoporne a verifica le affermazioni, attraverso accurati processi di anatomia sperimentale.

Il proficuo scambio tra arte e scienza è documentato ampiamente dalla ricca iconografia che accompagna gli straordinari vetri medicei. Le fornaci granducali, a cominciare dalla fine del Cinquecento, e in particolare tra 1628 e 1670, produssero vetri di estrema complessità e di grande bellezza. Gli artisti che progettarono e disegnarono questi delicatissimi oggetti dalla forma bizzarra e scherzosa e dalla complessa struttura a "trionfo" tennero conto anche delle ricerche e degli esperimenti dell'Accademia del Cimento e fecero tesoro dei principi scientifici che si dibattevano all'epoca. D'altro canto, gli stessi scienziati usarono come contenitori e "attrezzi" da esperienza vasi, coppe e bicchieri, oggetti d'uso trasformati così in materiale scientifico. Inoltre, gli abili soffiatori, i "Gonfia" al servizio del Granduca, anche nella esecuzione di veri e propri strumenti scientifici, applicarono gli stessi schemi stilistici e di "gusto" barocchi tipici dell'epoca.