Il entre au service des Medicis en 1565. Il compose des madrigaux, sonnets et airs de style polyphonique, puis s'oriente vers un style monodique dans lequel l'intelligibilité du texte prime, les autres voix polyphoniques étant confiées à des instruments. Il interprète ses propres pièces en s'accompagnant du Luth ou d'un autre instrument. Il introduit dans ses compositions des ornements à l'origine de la virtuosité vocale et du Bel canto.

Il se maria avec une certaine Maria Fastero dont le père était un célèbre marchand ( espagnol ) de l'époque. Ses trois enfants, Pompeo, Francesca et Settimia (1591-vers 1640) sont également de remarquables chanteurs au service du Concerto Caccini, ensemble vocal qui organisera des représentations à Paris au cours de l'hiver 1604/05.

Giulio Caccini compose Il rapimento di Cefalo, certainement en collaboration avec d'autres compositeurs de l'école florentine, oeuvre qui sera donnée trois jours après lEuridice de Peri

Son chef d'oeuvre est le recueil de mélodies accompagnées La Nuove Musiche paru en 1601, qui a posé les bases du chant et de l'aria baroque.

Le grand public connait Caccini par une oeuvre qui lui est pourtant totalement étrangère : ce que l'on nomme couramment L'Ave Maria de Caccini n'est en fait qu'un Pastiche composé en 1973 par Vladimir Vavilov et est fort éloigné du style musical de Caccini.