Figlio (Torino 1587 - Vercelli 1637) di Carlo Emanuele I di Savoia e di Caterina di Asburgo-Spagna. Divenuto, alla morte del fratello, principe ereditario, sostenne la politica filofrancese del padre sposando (1619) Cristina di Francia (1606-1663). Acquisito il titotlo di duca duca (1630), fu costretto ad accettare il trattato di Cherasco (1631) e l'occupazione di Pinerolo da parte della Francia, con la quale si alleò (1635) durante la guerra dei Trent'anni. La sua morte durante la campagna contro la Spagna aprì per lo Stato sabaudo un periodo di crisi sotto la reggenza della vedova.
Quasi in condizione di ostaggio fu inviato a Madrid (1603) con i suoi fratelli, allo scopo di completare la sua educazione, ma anche con la speranza (presto caduta per la nascita dell'erede al trono) che potesse essere destinato alla corona di Spagna; ne fu richiamato (1605) dopo la morte del fratello Filippo Emanuele, e divenne principe ereditario. Ebbe, allora, numerosi incarichi importanti: fu inviato a Mantova (1612-13) presso la sorella Margherita e poi in Spagna, sempre a proposito della questione del Monferrato. All'interno, collaborò alla politica del padre e ne accettò l'indirizzo filo-francese sposando (1619) Cristina di Francia. Divenuto duca, sul finire della guerra di Mantova, dopo lunghe trattative ebbe partita vinta nella questione del Monferrato ma, in cambio, dovette subire il trattato di Cherasco. Ma mantenne, anche contro i propositi dei suoi fratelli Tommaso e Maurizio, ispanofili, l'indirizzo filofrancese, consacrato poi dal trattato di Rivoli (1635), che accentuò la pressione francese in Italia, ma che il duca firmò allettato dal miraggio della conquista della Lombardia spagnola. Morì durante la campagna contro gli Spagnoli forse avvelenato, ma più verosimilmente di malaria. Aveva assunto (1630) il titolo di re di Cipro, al riguardo sostenendo una lunga lotta di prerogative con Venezia, e con il papa Urbano VIII, che non lo riconobbero.