Gli inizi dell'età Moderna vedono Vicopisano oramai saldamente in mano a Firenze. Col 1509 si esaurisce la ribellione pisana, che aveva tenuto impegnata la Repubblica Fiorentina sin dal 1494, e da questo periodo in poi l'antica Repubblica Marinara entrerà a far parte a pieno titolo della Toscana Medicea. Dopo un breve periodo di rivolgimenti politici coincidenti con la discesa in Italia dei Lanzichenecchi al soldo dell'imperatore Carlo V, col 1530 a Firenze si afferma la dinastia medicea, che con Cosimo I pone grande attenzione alla ricostruzione di Pisa e del suo contado, devastati da un secolo e mezzo di guerre. In quest'ottica vanno letti gli interventi che a partire dal 1560 si susseguono nella nostra zona tutti volti a migliorare la situazione idrogeografica tra Bientina e Vicopisano. Nel 1560 si pone mano alla deviazione dell'Arno dalle mura di Vicopisano e Bientina (con il nuovo corso rettilineo da Montecchio a San Giovanni alla Vena) e contemporaneamente si scava la Serezza Nuova, che contribuiva a far defluire le acque dal Lago di Bientina all'Arno. Nel 1655 fu nuovamente escavato il vecchio tracciato della Serezzina, che assunse anch'essa il nome di Serezza Nuova, ed infine nel 1755 si pose mano ai lavori del Canale Imperiale, che sostituì il vecchio tracciato della Serezza escavato nel 1560. Alla confluenza del Canale con l'Arno furono costruite le imponente Cateratte Ximeniane, opera dell'ingegnere Leonardo Ximenes, che ancora adesso possono essere ammirate in località Riparotti

Il Vicariato di Vicopisano, detto originariamente «Vicariato delle valli dell'Arno e del Serchio» aveva il suo centro in Vicopisano che perciò era la sede della corte e del Vicario. La sua giurisdizione si estendeva su tutto il territorio compreso tra la riva destra dell'Arno e il confine dello stato di Lucca, più una larga striscia del territorio sulla riva sinistra dell'Arno a partire da Pontedera e suoi dintorni fino alle porte di Pisa. I comuni o comunità che facevano parte del Vicariato di Vicopisano erano raggruppati in 3 podesterie che prendevano nome dal centro più importante. Esse erano: Vicopisano, Cascina-Pontedera e Ripafratta. Tuttavia i Comuni di Buti e di Bientina, che appartenevano giuridicamente alla podesteria di Vicopisano, godevano di particolari privilegi e autonomie, che gli derivavano dai diversi modi in cui erano entrati a far parte del Dominio Fiorentino. Tra le podesterie dipendenti da Vicopisano, « anomala » fu quella di Cascina, in quanto comprendeva anche Pontedera con cui condivise il podestà, almeno fino al 1772, quando fu promossa a Vicariato.

Dal punto di vista sociale dobbiamo dire che la situazione politica, oramai più tranquilla e non più costellata da guerre, contribuì a far sviluppare varie attività artigianali, che sicuramente avevano contraddistinto la zona anche nei secoli precedenti e che ne caratterizzeranno anche le produzioni successive. L'agricoltura era l'attività che maggiormente interessava la popolazione, inoltre soprattutto nel XVI sec., in tutta la zona si rileva una notevole produzione di seta, che doveva servire per le produzioni manifatturiere fiorentine, mentre i paesi che sorgevano lungo l'Arno si dedicavano ai trasporti fluviali mediante i Navicelli. Oltre a queste attività generalizzate si assiste ad alcune specializzazioni produttive: mentre San Giovanni alla Vena è già caratterizzata da una attività ceramica, ad Uliveto si registrano attività di estrazione di calcare per farne calcina. Buti (che sino ad oltre la metà dell'Ottocento farà parte del Comune di Vicopisano) era caratterizzato dalla produzione di Olio, ma era già noto per l'attività di lavorazione delle ceste di castagno. Vicopisano, perso il suo ruolo di avamposto militare ed economico di Pisa, ripiega sull'attività agricola e mantiene una certa importanza come centro politico locale, grazie alla presenza del Vicario, del Cancellierie, del Tribunale e delle Carceri Vicariali.

Più in generale nel periodo fra XVI e XVII secolo si assiste ad una sorta di riconversione economica in tutta la Toscana: vengono infatte abbandonate le tradizionali attività mercantili, che avevano reso Firenze ricca e potente, a vantaggio delle attività agricole legate allo sfruttamento estensivo degli appezzamenti di terra. Proprio il territorio pisano ed anche la nostra zona viene interessata da forti acquisti di terreno da parte della classe dirigente fiorentina, a cui si affianca a partire dalla metà del '500 la nobiltà pisana. Tra i numerosi possidenti sono da enumerare i Medici, che sino alla metà del '700 avranno la gestione diretta della Fattoria di Vicopisano.

Il prevalere degli interessi agricoli su quelli commerciali e marcantili rese la nostra zona assai importante, proprio per la notevole estensione delle pianure, associata alla forte presenza di vie d'acqua che rendevano assai semplice il trasporto fluviale delle merci. Ad esempio nel 1631, durante l'epidemia di peste che stava imperversando in Italia, Firenze fu dichiarata in quarantena e tutte le attività commerciali furono bloccate, ma il rifornimento alla città del grano (proveniente da Livorno) , fu assicurato proprio dai navicellai del nostro vicariato, proprio per la loro vicinanza al porto labronico e per la loro dimestichezza con i trasporti fluviali.
E' comunque da rilevare che la zona, oramai periferica, per tutto il periodo moderno non registra avvenimenti di una qualche rilevanza, eccettuati quelli che possono essere registrati per molte altre comunità toscane (carestie durante il XVII sec., peste del 1630-1633, ecc.).

Con il passaggio del Granducato di Toscana in mano ai Lorena (1737) comincia una stagione di cambiamenti, specialmente sotto la spinta riformatrice ed "illuminata" di Pietro Leopoldo di Asburgo Lorena (1765-1789), che coinvolgerà anche le piccole comunità periferiche come Vicopisano.
A livello amministrativo con il 1776 si assiste ad una cambiamento radicale, per cui tutte le piccole Comunità locali che sino ad allora avevano avuto i loro consigli e si erano autogovernate, vengono riunite sotto la Comunità di Vicopisano e governate da un unico Consiglio; questo atto rappresenta la nascita del Comune così come le intendiamo oggi, mentre parallelamente si limitano i poteri del Vicario, nel tentativo di razionalizzare le forme di governo locale con la creazione di un ceto dirigenziale più al passo coi tempi. Sempre grazie alla mentalità illuministica e fortemente in anticipo sui tempi del Granduca Pietro Leopoldo, nel 1786 viene abolita in toscana la pena di morte (30 Novembre), e proprio in seguito a tale editto il 22 Febbraio 1787 anche a Vicopisano vengono demolite le forche e gli strumenti di tortura, che sino ad allora avevano fatto mostra di se all'ingresso del paese, all'inizio della salita in Loc. Via Crucis.
A livello economico viene avviata la stagione delle allivellazioni, mediante le quali i grandi patrimoni terrieri ed immobiliari accumulati dalla nobiltà e dagli enti ecclesiastici, specialmente questi ultimi intoccabili e protetti da fedecommessi e manomorte, vengono vendute nel tentativo, raggiunto parzialmente, di creare un ceto di piccoli proprietari terrieri ed un benessere più diffuso e meno concentrato nelle mani dei grandi proprietari. In seguito a tale processo anche il patrimonio della Fattoria Granducale di Vicopisano viene smembrato ed affidato mediante livello (contratto di affitto prolungato nel tempo) a più proprietari.
Assai importante per Vicopisano è la soppressione del Convento dei Francescani (1782), per cui la chiesa (che venne distrutta e sostituita da una villa nel 1838), il convento e la Rocca entrano in possesso di privati, nonostante il tentativo della Comunità di acquistarli.

Con il 1799 anche la Toscana viene conquistata militarmente dall'esercito napoleonico, comincià così anche per il nostro territorio un periodo contrastato, fatto di ombre e di luci, in cui si alternano notevoli cambiamenti in positivo (come la creazione di una vera categoria di professionisti dell'amministrazione, le vaccinazioni obbligatorie contro il vaiolo, lo sfruttamento razionale delle colture) ed altri assai meno positivi come la forte tassazione a cui furono sottoposte le popolazioni per sostenere le guerre, o la forte dipendenza economica della Toscana dalla Francia. Le popolazioni sopportarono l'avvento del nuovo padrone con la consueta rassegnazione, mentre la parte più avanzata della società vicarese fu ben felice dell'arrivo delle truppe Napoleoniche (fu eretto l'albero della libertà nella Piazza di Vicopisano) spinto dalle speranza di cambiamento legato alle idee della Rivoluzione Francese. L'unico episodio di un certo rilievo è legato ad un furto di una notevole quantità di grano a Caprona, a cui seguì una rappresaglia delle Truppe francesi, con l'arresto di numerosi abitanti tra i quali anche il pievano del luogo. Ben presto agli entusiasmi iniziali subentrò un malcontento (legato soprattutto all'eccessiva tassazione a cui accennavamo) ma non si registrarono mai più episodi di manifesta ostilità al governo francese.