La catedral, dedicada a la Virgen con el nombre de “Santa Maria del Fiore” (de la Flor), fue construida sobre la antigua catedral de Santa Reparata, que se había hecho pequeña para acoger a toda la ciudadanía. Esta obra maestra del gótico es la cuarta iglesia más grande del mundo, después de San Pedro en Roma, St. Paul en Londres y la catedral de Milán. La base de la Basílica tiene tres naves unidas a un enorme cimborrio que soporta la cúpula de Brunelleschi: la más grande que se ha construido de ladrillo.
Empezó a construirse en 1296, con la dirección de Arnolfo di Cambio. Tras su muerte, el potente gremio del Arte de la Lana, que tenía la responsabilidad de controlar las obras, contrató primero a Giotto, que se preocupó sobre todo de la torre, y, luego, a Francesco Talenti, que modificó una parte del proyecto original de Arnolfo di Cambio. En 1380 se terminaron las tres primeras arcadas y la cubierta de las tres naves.
En 1420 se empezó a construir la Cúpula, que es el imponente y armonioso símbolo de la ciudad. Filippo Brunelleschi, primer arquitecto renacentista, para la construcción, tuvo que enfrentarse no sólo a problemas artísticos, sino también técnicos. Las tradicionales estructuras no eran suficientes para soportar el excesivo peso de la Cúpula. Brunelleschi, después de años de estudios, inventó un nuevo y genial método de mampostería que le permitía a la cúpula autosostenerse durante la construcción. Este innovador sistema se basaba en una composición de ladrillos que se cruzaban, la pared a soga. El resultado fue una doble bóveda autoportante. La cúpula se terminó en 1436 y fue consagrada por el papa Eugenio IV, aunque la fechada estaba sin terminar. El revestimiento actual, con decoraciones de mármol policromas blanco, verde y rosa, fue realizado por Emilio de Fabris a finales del siglo XIX.
