La catedral fue levantada en el espacio que ocupó la antigua iglesia de Santa Reparata, impulsada su construcción por la magnificencia de las nuevas catedrales de Pisa y Siena.

Al final del siglo XIII, la iglesia de Santa Reparata, de nueve centurias, se derrumbaba, como lo atestiguan los documentos. Más aún, resultaba demasiado pequeña en un período de rápido crecimiento de la población. La próspera Florencia quería sobrepasar la grandiosidad de sus rivales toscanos, Pisa y Siena, con una iglesia magnífica, más grandiosa en tamaño y adornada más ricamente en el exterior. Esta catedral, cuando se terminó, resultó ser la más grande de Europa, con una capacidad para 30 000 personas. En la actualidad solo es superada, en tamaño, por la basílica de San Pedro en la Ciudad del Vaticano, la catedral de San Pablo en Londres, la catedral de Sevilla y la catedral de Milán.

La nueva iglesia fue diseñada por Arnolfo di Cambio en 1296 para ser el templo católico mayor del mundo (aunque su diseño fue alterado varias veces y más tarde reducido en tamaño). Arnolfo fue también el famoso arquitecto de la basílica de la Santa Cruz y el palazzo Vecchio. Diseñó tres anchas naves que morían bajo la cúpula octogonal, con la nave central cubriendo la superficie de Santa Reparata. La primera piedra fue puesta el 8 de septiembre de 1296 por el cardenal Valeriana, el primer nuncio papal enviado a Florencia. La realización de este vasto proyecto duraría 170 años, así como los esfuerzos colectivos de varias generaciones. Después de la muerte de Arnolfo, en 1302, el trabajo en la catedral se hizo más lento y llegó a suspenderse durante treinta años. La construcción recibió un ímpetu nuevo cuando las reliquias de san Zenobio fueron descubiertas en 1330 en Santa Reparata.

En 1331, el Arte della Lana (Gremio de los mercaderes de la lana) asumió el patronazgo exclusivo para la construcción de la catedral y, en 1334, nombraron a Giotto di Bondone como maestro de obras. Asistido por Andrea Pisano, continuó el diseño de Arnolfo di Cambio. Su triunfo mayor fue la construcción del campanile («campanario»), pero murió en 1337, dejando inacabada la obra. Andrea Pisano continuó con los trabajos hasta que estos tuvieron que abandonarse a causa de la Peste negra en 1348.

En 1355 se reemprenden los trabajos dentro de la catedral, llevados a cabo por una serie de arquitectos, entre los que cabe mencionar a Francesco Talenti, que acabó el campanario y amplió el proyecto con el ábside y las capillas laterales, pero no alteró el exterior. En 1359 le sucedió Giovanni di Lapo Ghini (1360-1369), que dividió la nave central en cuatro crujías cuadradas. Otros arquitectos fueron Alberto Arnoldi, Giovanni d'Ambrogio, Neri di Fioravante y Orcagna. En 1375 la vieja iglesia de Santa Reparata fue demolida. La nave se completó en 1380, quedando sin terminar, en 1418, la cúpula.

Las paredes están cubiertas por bandas alternadas en horizontal y vertical con mármoles multicolor: de Carrara (blanco), Prato (verde) y Siena (rojo). Estas bandas de mármol tenían que repetir las decoraciones del baptisterio y del campanario de Giotto. Hay dos puertas laterales, las Puertas de los Cardenales (sur) y la Puerta de los Mandorla (norte) con esculturas de Nanni di Banco, Donatello y Jacopo della Quercia. Las seis ventanas laterales, notables por su delicado trazado y adornos, están separadas por pilares. Solo las cuatro ventanas más cercanas al transepto dejan pasar la luz; las otras dos son simplemente ornamentales. Las ventanas del triforio son redondas, una característica común en el estilo ítalo-gótico. El pavimento de la iglesia fue cubierto con mármol en el siglo XVIII.

El 24 de diciembre de 1966, el papa Pablo VI realizó la misa del Gallo en esta catedral. En noviembre una inundación había afectado gravemente a la ciudad y se quiso homenajear así a los fallecidos y damnificados.