Né à Rome, issu d’une famille de la haute aristocratie de Rome et des Etats pontificaux. Il est originaire de la petite ville de Cesi, fils de Federico Cesi, Marquis de Monticello, Duc d’Acquasparta et de Olimpia Orsini. Dès son jeune âge il fut intéressé par les sciences naturelles. Son père fut fortement opposé à la direction de ces études, mais sa mère lui a fourni l’appui moral et financier.
En 1603, à l’âge 18 ans, il fonda “l’Accademia dei Lincei [1]”. Ses membres initiaux étaient Cesi, Francesco Stelluti , Johannes Eck , Galilée et Anastasio de Fillis . Ces membres ont vécu ensemble et presque monacalement dans la maison de Cesi, où il leur fournissait des livres et l’équipement de laboratoire.
En 1605, un document défini les buts de l’académie "non seulement pour acquérir la connaissance de choses et la sagesse et vivant ensemble justement et pieusement, mais aussi paisiblement les montrer aux hommes, oralement et par écrit, sans n’importe quel mal." il consacra toute sa vie à ces buts et à son académie.
Celle-ci fut fermement contestée par son père et d’autres aristocrates Romains. Ses membres furent accusés de magie noire, d’opposition à la doctrine de l’Église et menant une vie scandaleuse. Eck fut forcé de quitter Rome et pendant quelque temps les membres de l’académie furent dispersés. Cesi maintint le contact avec tous par correspondance. Pendant un séjour à Naples, il rencontra Giambattista Della Porta et décida de l’installation d’une branche de l’académie dans cette ville. Porta devint un membre de l’académie en 1610.
Le membre le plus célèbre de l’académie fut Galilée, qui s’installa au printemps de 1611, pendant sa visite à Rome.
Les publications les plus célébrées de l’académie furent celles de Galilée, d’abord ses Lettres aux Taches solaires en 1613. Après l’arrivé de Galilée, l’adhésion à l’Académie Lyncean grandi rapidement et atteint 32 membres, y compris beaucoup venant de pays étrangers. A sa mort en 1630 l’académie mourut avec lui.