Santa Maria del Fiore, la cui costruzione fu progettata da Arnolfo di Cambio, è la terza chiesa del mondo (dopo San Pietro a Roma, San Paolo a Londra) e la più grande in Europa al momento della sua ultimazione nel '400: è lunga 153 metri, larga 90 alla crociera ed alta 90 metri dal pavimento all'apertura della lanterna.

Essa, terza e ultima cattedrale fiorentina, fu intitolata nel 1412 a Santa Maria del Fiore con chiara allusione al giglio, simbolo della città.
Sorse sopra la seconda cattedrale, che la Firenze paleocristiana aveva dedicato a Santa Reparata Le notevoli diversità di stile rivelate nelle sue parti sono la testimonianza del variare del gusto nel lungo periodo trascorso fra la sua fondazione ed il completamento.

La prima pietra della facciata venne posta l'8 settembre 1296, su progetto di Arnolfo di Cambio che, simultaneamente, coordinava la costruzione di Santa Croce e del Palazzo della Signoria Egli lavorò per il Duomo dal 1296 al 1302, anno della morte. Ideò una basilica dagli spazi classici, con tre ampie navate che confluivano nel vasto coro dove è posto l'altare maggiore, a sua volta circondato dalle tribune su cui poi si innesterà la cupola.

Il progetto d'Arnolfo era notevolmente diverso dalla struttura attuale della chiesa, come è possibile notare dall'esterno. Sui fianchi dell'edificio, infatti, a nord e a sud, notiamo che le prime quattro finestre sono più basse, più strette e più ravvicinate di quelle verso est, le quali corrispondono, invece, all'ampliamento operato da Francesco Talenti, capomastro a partire dalla metà del '300.
Arnolfo arriva a finire due campate e metà della nuova facciata. Le sue sculture saranno tolte e spostate nel Museo dell'Opera del Duomo nel 1586, poiché il Granduca Francesco I de' Medici decise di costruire una nuova facciata.

Alla morte d'Arnolfo, avvenuta intorno al 1310, i lavori subirono un rallentamento, per riprendere certamente nel 1331 quando i magistrati dell'Arte della Lana si assunsero la cura della costruzione. Nel 1334 fu nominato capomastro dell'Opera Giotto che si occupò prevalentemente della costruzione del campanile e morì tre anni dopo. A Giotto subentrò Andrea Pisano fino al 1348, anno della terribile peste che decimò la popolazione cittadina da 90.000 a 45.000 abitanti.
I lavori proseguirono fra interruzioni e riprese fino a quando, in seguito al concorso bandito nel 1367, fu accettato il modello definitivo della chiesa proposto da quattro architetti e quattro pittori, tra i quali Andrea di Bonaiuto, Benci e Andrea di Cione, Taddeo Gaddi e Neri di Fioravante.
Dal 1349 al '59 la direzione tocca a Francesco Talenti, che completa il Campanile e prepara un nuovo progetto coadiuvato (dal 1360 al '69) da Giovanni di Lapo Ghini. Nel 1378 fu ultimata la volta della navata centrale, e nel 1380 furono terminate le navate minori. Tra il 1380 ed il 1421 furono costruite le tribune e forse anche il tamburo della cupola.

Costituita da due calotte di forma ogivale tra loro collegate, la cupola ottagonale fu voltata dal 1418 al 1434 secondo il progetto di Filippo Brunelleschi, presentato ad un concorso nel 1418 ed accettato dopo molti contrasti nel 1420.
Il tempio, dedicato a Santa Maria del Fiore, fu consacrato il 25 marzo del 1436.
All'esterno proseguirono i lavori di rivestimento in marmo e la decorazione degli ingressi laterali, fra cui la Porta dei Canonici (a sud) e la Porta della Mandorla (a nord), coronata dal rilievo con l'Assunta (1414-1421), opera raffinata di Nanni di Banco (a cui lavorò anche Donatello e Jacopo della Quercia).

Eleganti anche le altre due porte: quella del Campanile (a sud), nella seconda campata, con rilievi della scuola di Andrea Pisano e la porta della Balla (a nord), il cui nome deriva dall'antica apertura sulle mura fiorentine in Via dei Servi (Borgo di Balla), in cui si trovavano i tiratoi dell'Arte della Lana.
La parte absidale chiude dignitosamente la Cattedrale con tre grandi tribune con bifore gotiche. Quattro esedre, o tribune morte, decorano la base del tamburo.

Infine la cupola, il cui diametro è di 45,5 metri, lo stesso dell'intero Battistero.
Nel 1418 l'Opera del Duomo bandisce il concorso che Brunelleschi vince ma solo due anni dopo i lavori avranno inizio e dureranno fino al 1434. Il 25 marzo del 1436 la Cattedrale fiorentina viene consacrata da Papa Eugenio IV.

L'innovazione mirabile del Brunelleschi fu quella di voltare la cupola senza armature, grazie all'uso di una doppia volta con intercapedine, di cui l'interna (spessa oltre due metri) realizzata con conci a spina di pesce, aveva una funzione strutturale essendo autoportante e quella esterna solo di copertura.
Svetta sulla Cupola la lanterna con copertura a cono, su disegno del Brunelleschi, che fu realizzata dopo la morte dell'artista (1446) e la palla di rame dorato con la croce, contenente reliquie sacre, opera d'Andrea del Verrocchio, che vi fu collocata nel 1466.

Nell'Ottocento, una serie di interventi, - tra i più importanti ricordiamo le nuove cantorie di Santa Maria del Fiore e la semplificazione del coro bandinelliano, che venne privato dell'intera sovrastruttura a colonne e delle statue sull'altare - completarono la Cattedrale. L'opera più impegnativa in assoluto fu comunque la facciata del Duomo, eseguita da Emilio De Fabris e collaboratori tra il 1871 e 1884 che aspirava a riprodurre il decorativismo fiorentino del '300, riscontrabile nel Campanile e sulle porte laterali della Cattedrale.

La semplicità dell'interno, a croce latina diviso in tre navate da pilastri polistili sostenenti arcate e volte ogivali a costoloni, sottolinea le maestose dimensioni della chiesa.

Un ballatoio su mensoloni corre in alto e prosegue sotto la cupola ed il transetto. I pavimenti di marmo colorato e le nicchie 'a tempietto' furono iniziati da Baccio d'Agnolo e in seguito continuati dal figlio e finiti da Giuliano da Sangallo ed altri artisti nel 1560.

Le 44 vetrate del Duomo sono il lavoro dei più grandi artisti dell'arte fiorentina del primo Rinascimento: Donatello, Ghiberti, Paolo Uccello, Andrea del Castagno.

Nella controfacciata emerge con forza l'orologio, realizzato da Lorenzo di Benvenuto della Volpaia e, nella parte dipinta, eseguito da Paolo Uccello nel 1443.
Completa la controfacciata un mosaico sopra la porta d'ingresso principale, opera di Gaddo Gaddi degli inizi del '300 e la tomba del Vescovo Orso, Vescovo di Firenze morto nel 1321 di Tino di Camaino.

Le opere d'arte lungo le due navate laterali rientrano in un programma civico in onore degli 'uomini illustri' della vita fiorentina. Tale programma include: i monumenti equestri in affresco dei condottieri John Hawkwood (di Paolo Uccello, 1436) e Niccolò da Tolentino (di Andrea del Castagno, 1456); il dipinto di Domenico di Michelino raffigurante Dante, del 1465; busti scolpiti in onore di Giotto, Brunelleschi, Marsilio Ficino, ed Antonio Squarcialupi, organista del Duomo, tutte opere del '400 e primo '500. Del secolo XIX, invece, sono i ritratti d'Arnolfo e d'Emilio De Fabris.

La decorazione ad affresco della cupola del Brunelleschi fu realizzata tra il 1572 ed il 1579 da Giorgio Vasari e Federico Zuccari, e presenta lo stesso tema iconografico del Battistero: il Giudizio Universale.
Gli affreschi della cupola sono stati oggetto di un restauro globale tra il 1978 ed il 1994. Del coro, originariamente adorno di una sovrastruttura con colonne ed architravi, oggi rimane solo il muro di sostegno con raffigurazioni di profeti scolpite dal Bandinelli e dai suoi collaboratori. L'altare attuale è stato spostato in avanti rispetto a quello cinquecentesco, nel 1973, in conformità con le riforme liturgiche del Concilio Vaticano II.

Il Cristo del grande crocifisso dietro la cattedra è di Benedetto da Maiano (1495-97). In ciascuna delle tre tribune si aprono cinque cappelle.
Tra le due tribune laterali e quella centrale si accede alle due sacrestie.

Dalle porte bronzee di Luca Della Robbia si accede alla Sacrestia nord, chiamata anche 'delle Messe': un ambiente decorato con pannelli di legno intarsiato, eseguiti da maestri fiorentini del '400 e restaurati dopo l'alluvione del 1966.

Vi sono conservati paramenti, libri ed oggetti vari che servono ai riti celebrati all'altare.
Le tarsie illusionistiche fanno vedere armadi aperti con la suppellettile ecclesiastica sugli scaffali. Sopra la porta troviamo la Resurrezione di Cristo, di Luca Della Robbia, in terracotta invetriata.

Dalla parte della tribuna di destra si arriva alla Sacrestia dei Canonici, sulla cui sommità è presente una lunetta di Luca della Robbia con L'Ascensione (1450).
Nella tribuna centrale sono posti due angeli reggicandelabro di Luca della Robbia e l'Arca di San Zanobi, un'urna in bronzo contenente le reliquie del Santo opera di Lorenzo Ghiberti del 1432-42.

La basilica ha vissuto molti momenti importanti della storia cittadina.
Fra tutti ricordiamo l'apertura del Concilio di Firenze (2 marzo 1439) per la riunificazione della Chiesa ortodossa con quella cattolica.