À la fin du XIXe siècle, ce tableau était déjà identifié comme un portrait de la fille naturelle du duc Cosme 1er, née avant son mariage en 1539 : la petite Bianca, dite Bia. Elle meurt l'année même du portrait en 1542 alors qu'elle est âgée de cinq ans.
En 1560, l'ambassadeur de Francesco Maria II della Rovere en Toscane, Simone Fortuna, écrivit dans une lettre que Cosimo "dans ses premières années en tant que duc, eut, par une noble de Florence, une fille qui fut baptisée au nom de son Illustre Excellence, et appelé Bia. Et la duchesse, la trouvant chez elle, élevait la fille avec amour, car elle était née de son mari avant de devenir sa femme".
La jeune fille est donc élevée, comme souvent, aux côtés des enfants légitimes de la maison, entourée de l'affection d'Aliénor de Tolède et de sa grand-mère, Maria Salviati, avec qui elle passe beaucoup de temps et qu'elle aime particulièrement.
Malheureusement, à l'âge d'environ cinq ans, Bia tomba subitement malade vers la fin janvier 1542 et mourut en quelques semaines.
Le duc était bouleversé. Il avait un masque funéraire en plâtre de l'enfant, tel qu'il est répertorié dans l'inventaire de Guardaroba de 1553, qui contient également une premiere version du portrait de Bia par Bronzino, mentionné par Giorgio Vasari dans sa biographie de l'artiste. Certains érudits ont avancé la théorie selon laquelle Bronzino n'a pas peint l'enfant de son vivant, mais qu'il a pris le masque comme modèle. La date de l'œuvre se situe donc entre 1542 et 1545, date à laquelle le peintre a également achevé le Portrait d'Aliénor de Tolède avec son fils, qui place aussi les personnages devant un fond abstrait bleu profond,presque entièrement réalisé avec du lapis lazuli, qui devient plus clair autour du visage.
Malgré les vêtements de la jeune fille, qui sont en blanc pour faire allusion à la fois à sa pureté et à son nom, Bianca, elle porte des bijoux dignes d'une princesse adulte. En plus du collier de perles autour du cou, l'enfant porte également une chaîne en or avec une médaille représentant le profil de son père, Cosimo, tel qu'il apparaît dans un portrait de Pontormo, aujourd'hui conservé à la Galerie Palatine du Palais Pitti.
Le talent exceptionnel de Bronzino donne une image vivante de l'enfant et toute la vivacité d'un tableau fait d'après nature. Cela est aussi dû à la position assise qui voit l'enfant presque prêt à sauter sur ses pieds, avec une exubérance à peine contenue, et à la façon dont elle tripote la ceinture entre ses doigts. Son expression d'extrême lucidité est en parfait accord avec la joie sans nuage de l'enfance. Son léger sourire créée un magique effet d'attente.