Pasado a la carrera eclesiástica, fue nombrado cardenal por Inocencio X en el consistorio del 14 de noviembre de 1644, con el título de diácono de Santa Maria Nuova (cambiado por el de San Giorgio al Velabro desde 1656).
Giovan Carlo estaba dotado de una gran inteligencia y gusto artístico, que le llevaron a interesarse del arte en general, coleccionando vorazmente cuadros, esculturas y todo aquello bello que pudiese adquirir.
El verdadero nacimiento de una colección general en la Galleria degli Uffizi (y en la Galleria Palatina) se debe a su intervención.
Fue también amante del teatro y fue él quien adquirió en 1657 el terreno donde hizo construir a Ferdinando Tacca el Teatro della Pergola, el primer teatro all'Italiana (es decir, con los palcos y la platea) de Europa, auténtica cuna del melodrama.
Su cuerpo fue trasladado a Florencia y depositado en la Capilla de los Médici en la Basílica de San Lorenzo.