En 1219, douze dominicains arrivent à Florence depuis Bologne, suivis du frère Giovanni de Salerne. En 1221, ils obtiennent l'oratoire Santa Maria delle Vigne, édifié sur le même emplacement au IXe siècle (d'où son qualificatif de Novella), ainsi nommée pour les terres agricoles qui l'entouraient, à l'époque hors les fortifications de Florence). Cette petite église, propriété des chanoines de la cathédrale Santa Maria del Fiore, a été consacrée en 1049 ou, selon d'autres sources, en 1094, bien que cette deuxième hypothèse soit plus probable, un document mentionnant cette date étant conservé dans les archives capitulaires de la cathédrale florentine. Quelques vestiges de l'ancienne église ont été retrouvés sous la sacristie actuelle, notamment les bases de certains piliers romans.

En 1242, la communauté dominicaine florentine décide de commencer les travaux d'un nouveau bâtiment plus grand, obtenant du pape l'octroi d'indulgences pour ceux qui ont contribué financièrement aux travaux dès 1246. Le 18 octobre 1279, lors de la fête de saint Luc, la cérémonie de la Posa della Prima Pietra (pose de la première pierre) est célébrée dans la chapelle Gondi avec la bénédiction du cardinal latino Malabranca Orsini, même si les travaux ont déjà commencé depuis quelque temps. La nouvelle église a une façade orientée au Sud. La construction est achevée au milieu du XIVe siècle. Le projet, selon des sources documentaires non certaines, serait due à deux dominicains, les frères Sisto da Firenze et Ristoro da Campi, mais frère Jacopo Passavanti participe aussi à la construction, tandis que le clocher et une grande partie du couvent sont dus à l'intervention de frère Jacopo Talenti et de Benci di Cione Dami[1]. L'église, bien que déjà achevée vers le milieu du XIVe siècle avec la construction du couvent adjacent, n'est cependant officiellement consacrée qu'en 1420 par le pape Martin V qui réside dans la ville.

Au début du XIVe siècle, le couvent Santa Maria Novella est[2] :

« l’un des centres de la vie florentine. Foyer de vie intellectuelle, le couvent est une vraie université, déclarée depuis peu studium generale… Le couvent est aussi un centre de prédication fameux… À l’intérieur du couvent ce sont des échanges permanents entre les Frères théologiens, juristes, philosophes, artistes, prédicateurs, anciens missionnaires, tous bénéficient des compétences et des informations de leurs confrères »

— J.-M. Mérigoux

La pensée de Rémi de Florence diffusée à l’intérieur du couvent rayonne aussi sans doute sur la ville. Dante Alighieri, ami du couvent de Santa Maria Novella, bénéficie de la culture théologique qui s’y diffuse, et on admet qu’il aurait suivi certains cours de Rémi. Celui-ci est enseveli à Santa Maria Novella et son portrait se trouve peint à fresque dans le grand cloître.

Commissionné par la famille Rucellai, Leon Battista Alberti conçoit le grand portail central, l'entablement et la finition supérieure de la façade en marbres blanc et vert, achevés en 1470. Après le Concile de Trente, entre 1565 et 1571, l'église est remodelée par Giorgio Vasari, avec la suppression de l'enceinte du chœur et la reconstruction des autels latéraux, ce qui implique le raccourcissement des fenêtres gothiques. La chapelle Gaddi est construite par Giovanni Antonio Dosio entre 1575 et 1577. Une autre modification a lieu entre 1858 et 1860 par l'architecte Enrico Romoli.

En octobre 1919, le pape Benoît XV l'élève au rang de basilique mineure[3].

Une importante restauration est réalisée en 1999 pour préparer le jubilé de l'an 2000, tandis qu'une restauration ultérieure de la façade a lieu d'avril 2006 à mars 2008.

Depuis mars 2001, le paiement d'un billet d'entrée est exigé pour la visite.