Il Duomo di Firenze, come lo vediamo oggi, è il risultato di un lungo lavoro che attraversa oltre sei secoli di storia. Il progetto venne ideato da Arnolfo di Cambio alla fine del Duecento, la cupola che lo ha reso unico e simbolo di tutta la Toscana è da attribuire a Filippo Brunelleschi, la facciata è della fine dell'800.
Nel corso dei secoli poi, la costruzione è stata arricchita con diversi interventi: le due sagrestie, il pavimento marmoreo del cinquecento, numerose sculture e affreschi firmati da Paolo Uccello e Andrea del Castagno.
La cattedrale fu intitolata a Santa Maria del Fiore nel 1412 con riferimento al giglio, simbolo di Firenze e venne realizzata sopra la cattedrale di Santa Reparata, abbattuta nel 1375; ancora oggi, nell'area archeologica sotto il Duomo, si possono ammirare i resti della vecchia cattedrale.
Nel 1923 la Repubblica fiorentina decretò che Santa Reparata doveva essere sostituita con una cattedrale più ampia e sfarzosa e a questo proposito decise che tutta la cittadinanza doveva partecipare alle spese: tutti erano obbligati a lasciare per testamento una quota delle loro ricchezze alla "fabbrica" del Duomo.
Nel 1294 il progetto fu affidato ufficialmente ad Arnolfo di Cambio, che nel 1298 avrebbe cominciato anche la costruzione di Palazzo Vecchio.
Arnolfo lavorò alla realizzazione del Duomo dal 1296 al 1302, anno della sua morte, e sebbene lo stile di quegli anni fosse il gotico, il Di Cambio pensò una basilica dagli spazi classici, con tre ampie navate che confluiscono nell'altare maggiore. Purtroppo Arnolfo riuscì a portare a termine solo due campate e la nuova facciata, decorata però solo a metà: le sculture (alcune dello stesso Arnolfo) saranno smantellate e trasferite nel Museo dell'Opera del Duomo quando il granduca Francesco I de' Medici deciderà di costruire una nuova facciata nel 1586.
Con la morte del Di Cambio, i lavori cessarono e poterono riprendere solo nel 1334 ad opera di Giotto che venne nominato nuovo responsabile della fabbrica del Duomo; purtroppo anche quest'ultimo morirà presto, nel 1337, e si dedicherà principalmente alla costruzione del suo Campanile.
Dopo Giotto fu la volta di Andrea Pisano (autore della Porta sud del Battistero) fino al 1348, anno della terribile peste che porterà la popolazione cittadina da 90.000 a 45.000 abitanti.
Varie fasi dei lavori sono documentate in un affresco del 1342, esposto al Museo del Bigallo.
Dal 1349 al '59 la direzione toccò a Francesco Talenti che completò il Campanile e suddivise la navata centrale in campate quadrate, mentre le due laterali saranno rettangolari.