Sie wurde in Florenz als letzte Tochter des Großherzogs der Toskana Ferdinand I. und der Christine von Lothringen in der einflußreichen Familie Medici geboren. 1621 heiratete sie den zukünftigen Herzog von Urbino, Federico Ubaldo, dem sie schon mit 4 Jahren versprochen wurde. Schon 1623 starb er, nach Ansicht seiner Ärzte an einem epileptischen Anfall. Die 19jährige Witwe kehrt e zunächst nach Florenz zurück, wo sie in einem Kloster untergebracht war.
1626 heiratete sie Erzherzog Leopold V., den Bruder von Kaiser Ferdinand II. Mit der Hochzeit wurde sie Landesfürstin von Tirol. Das aufwendige Hofleben und Mäzenatentum zogen eine hohe Verschuldung nach sich. Claudia brachte in dieser Ehe fünf Kinder zur Welt. Bereits nach sechs Jahren Ehe verstarb Leopold und machte Claudia damit zum zweiten Mal zur Witwe. Von 1632 bis 1646 übernahm sie daher anstelle ihres unmündigen Sohns Ferdinand Karl (geb. 1628) zusammen mit einem fünfköpfigen Ratskollegium (darunter Wilhelm Biener) die Regierungsgeschäfte.
Sie wurde zuerst neben Kaiser Ferdinand II. und nach dessen Tod 1637 neben Kaiser Ferdinand III. Mitregentin von Tirol und Vorderösterreich.
Claudia starb laut Aufzeichnungen an Wasseransammlungen, einem typischen Leiden dieser Zeit.
Sie ließ im Zuge des Dreißigjährigen Krieges die Festungen Ehrenberg, Kufstein und Scharnitz ("Porta Claudia" an der Scharnitzer Klause, benannt nach ihr) bauen und sorgte für eine Verbesserung der militärischen Verteidigung Tirols, die aufgrund der ständigen Bedrohung durch die Ausweitung des Krieges nach Süden notwendig war.
Weiters förderte sie die Kunst mit der Einführung des Barocktheaters, den Handel mit einer neuen Verfassung der Bozner Messe 1635 und den Ausbau des Handwerks in Tirol.
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