L’epoca medievale si chiude con il 1406, anno che segnò l'avvento del dominio fiorentino sulla città marinara. La storia di Pisa nel Quattrocento non ricorda avvenimenti di spicco, se non la diaspora delle maggiori famiglie, soprattutto mercantili, che di fronte alla prospettiva di una probabile oppressione politica ed economica da parte di Firenze, preferirono abbandonare la propria città.
La città di Pisa ebbe invece non pochi vantaggi dall’avvento della signoria di Cosimo Medici, il quale volle farne un centro effettivo del suo potere, installandovi lo Studio, grazie al quale poter controllare la formazione di quelli che sarebbero stati i suoi funzionari, ma soprattutto l’Ordine militare cavalleresco di S.Stefano, voluto “a difesa della fede ed alla guardia del Mediterraneo”, oltre che come strumento di controllo assoluto sul ceto nobiliare toscano e sui suoi beni. Le attività di corsa e pirateria espletate dalle galere medicee e stefaniane, condotte a fasi alterne dal 1562 al 1748, dettero un nuovo impulso alle attività cantieristiche degli arsenali toscani, seppur finirono per danneggiare gravemente, e spesso interrompere del tutto, i rapporti commerciali tra il granducato e gli stati maghrebini e levantini.
I Medici ebbero sempre una grande passione per il mare, come si rivela anche dai simboli dei loro stemmi personali, quali quello della “vela Gonfia” e quello delle “due ancore”. Il controllo sul Tirreno e, fin dove possibile, sul Mediterraneo, divenne un elemento fondamentale per garantire al granducato l’autonomia e l’indipendenza necessaria per porsi al riparo delle mire degli altri Principati italiani e, soprattutto, della Spagna, con la quale si cercò piuttosto d’instaurare un’alleanza che ponesse al riparo le ambizioni medicee da una mera subordinazione.
La politica marittima di Cosimo I non prevedeva però gli arsenali pisani quali unico centro del granducato, bensì si pensava a Pisa come uno dei poli di un sistema più complesso dove trovavano spazio l’isola d’Elba, con la costruzione e la fortificazione di Cosmopoli (oggi Portoferraio) e l’avvio dell’attività cantieristica anche a Livorno, come avvenne fin dagli anni Ottanta del Cinquecento. In questa articolazione e dispersione delle funzioni, sta la chiave del declino dell’arsenale pisano. Infatti, le risorse economiche del granducato non erano tali da poter mantenere tre attivi centri di costruzione navale, mentre la crescita urbanistica di Livorno e la sua diretta accessibilità al mare, la resero ben presto una concorrente insuperabile. Con l’avvento poi della dinastia degli Asburgo Lorena, le dinamiche marittime del granducato cambiarono drasticamente, e così pure le ambizioni del granduca Francesco Stefano, il quale riservò a Pisa un ruolo di assai scarsi rilievo. Gli effetti della nuova politica si manifestarono poi con importanti riforme, quali, in particolare, quella del 1748, quando i capannoni dell’arsenale mediceo pisano divennero alloggio per i cavalli del reggimento dei dragoni, e il motuproprio sovrano del 1750, con il quale si dispose lo smantellamento della flotta delle galere dell’Ordine di S. Stefano.