Su construcción se remonta al año 1296 y fue confiada a Arnolfo di Cambio, un destacado arquitecto y escultor de estilo gótico, quien tras su muerte, quedó en manos de diferentes arquitectos y artistas.
Tres grandes componentes integran la catedral: la fachada, el campanario y la cúpula. A mediados del siglo XIV, los artistas florentinos dejaron de lado el estilo gótico e incorporaron el estilo romano renacentista. El aire gótico de la catedral quedó escondido detrás del mármol rojo de Siena, el blanco de Carrara y el verde de Prato.
El escultor Filippo Brunelleschi estuvo a cargo de construir en 1420 la Cúpula de la catedral de base poligonal con 45 metros de diámetro y 100 metros de altura. Quince años después finalizaría su obra, hoy símbolo característico de la ciudad italiana de Florencia.
La torre de campanario, en tanto, es una elegante torre de mármol blanco y verde de 84 metros de altura y 412 escalones, obra del magnífico arquitecto y artista Giotto. Curiosamente, el campanario está físicamente separado de la Catedral. En un principio no era ésta la idea plasmada en el proyecto. Sin embargo, Brunelleschi necesitó tanto espacio para la cúpula que hubo que desplazar al Campanile.
Si bien la catedral de Florencia se completó durante el Renacimiento, la fachada todavía estaba desnuda en el siglo XIX debido a décadas de desacuerdos. En 1871, la ciudad organizó un concurso para determinar su diseño que ganó el arquitecto Emilio de Fabris. Su plan mantuvo el mismo esquema de color de mármol blanco, verde y rojo que el resto de la catedral, mientras que todavía contenía detalles más elaborados, como los exquisitos rosetones, que volvieron a ser populares gracias al estilo neogótico.