피렌체 대성당은 이전에 산타 레파라타 성당이 있던 자리에 지어졌고(피렌체 시민들은 이 성당을 재건축 이후에도 간혹 이전의 이름으로 불렀음),[1] 피사와 시에나에 새로 지어진 성당들에 자극을 받아 건설되었다. 13세기 말, 당시의 상황을 신간 연대기(Nuova Cronica)에 저술한 조반니 빌라니(1276~1348)에 따르면 이미 900년 정도 된 산타 레파라타 성당(Santa Reparata, Florence)은 점점 붕괴하고 있었다.[2] 게다가 인구가 급증하던 이 시기의 피렌체에 비해 성당은 너무 작았다.[2] 점점 번영하던 피렌체에는 성 베드로 대성당이나 세인트 폴 대성당, 세비야 대성당, 밀라노 대성당 등과 맞먹는 규모의 성당이 필요했다.

새로운 성당은 아르놀포 디 캄비오가 1296년에 (설계안은 여러 번 바뀌고 나중에는 규모가 작아지기는 했지만) 설계했다. 아르놀포 디 캄비오는 산타 크로체 성당과 베키오 궁전의 건축가였다. 그는 세 개의 넓은 중랑(中廊)이 팔각형 돔 아래에서 끝나도록 디자인했으며, 가운데 중랑은 산타 레파라타 성당의 영역을 감싸도록 했다. 피렌체에 파견된 첫 교황 사절이었던 발레리아나 추기경에 의해 1296년 9월 9일 첫 공사에 들어갔다. 이 방대한 프로젝트는 140여 년간 계속되었으며, 여러 세대에 걸친 노력이 필요했다.

아르놀포가 1302년에 사망하자 대성당의 공사는 30년간 미루어졌다. 1330년 성 제노비오의 성유물이 발견되면서 공사는 다시 활기를 되찾았다. 1331년 아르테 델라 라나(Arte della Lana, 양모 상인 길드)가 이 공사의 독점적 후원자가 되었고 1334년에는 조토 디 본도네가 공사를 감독하게 되었다. 안드레아 피사노의 조력으로 조토는 캄비오의 설계를 계속 이어갈 수 있었다. 조토의 주요 성과는 종탑 건물을 만든 것이다. 조토가 1337년 죽고 나서도 안드레아 피사노는 계속 건물을 만들었으나, 1348년 흑사병으로 공사가 중단되었다.

1349년 대성당 공사가 재개되어 프란체스코 탈렌티는 종탑을 완성하고 전체 프로젝트를 후진(後陣)과 측면 경당까지 포함하도록 확대했다. 1359년 조반니 디 라포 기니(1360–1369)가 탈렌티의 뒤를 이어 가운데 중랑을 네 개의 정사각형 베이로 나누었다. 그 밖에 알베르토 아르놀디, 조반니 담브로조, 네리 디 피오라반테, 오르카냐 등의 건축가가 참여했다. 1375년에 낡은 산타 레파라타 성당이 헐렸다. 네이브는 1380년 완성되었고, 1418년 오직 돔만이 미완성 상태였다.

실외벽은 수직과 수평으로 교대하는 여러 색의 대리석 배열로 되어 있는데 카라라(하얀색), 프라토(초록색), 시에나(붉은색), 라벤차 등 기타 다른 도시에서 가져온 것이다. 이 대리석 배열은 이미 존재한 인접한 산 조반니 세례당과 조토의 종탑의 벽에 있는 배열이 그대로 반복되었다. 측면에는 카노니치(Canonici)의 문(남쪽)과 만도를라(Mandorla)의 문, 이 두 문이 있다. 이 문들은 난니 디 방코, 도나텔로, 야코포 델라 퀘르차의 작품들로 장식되어 있다. 섬세한 트레이서리(고딕식 건축에 창에 붙이는 장식 격자)와 장식이 있는 여섯 개의 측면 창은 필라스터(벽체에서 돌출한 기둥)들로 나뉘어 있다. 익랑(翼廊)에서 가까운 네 개의 창문만이 빛을 받아들이고, 두개의 다른 창문은 단지 장식일 뿐이다. 클리어스토리 창(고측창, 높은 곳에서 빛을 받아 들이는 창)은 둥근 모양으로 이탈리아 고딕의 전형적인 특징을 보여준다. 대성당의 바닥은 16세기에 대리석 타일로 만들어졌다.

피렌체 의회의 소재지였던 이 대성당은 지롤라모 사보나롤라가 설교하였고, 줄리아노 데 메디치가 1478년 4월 26일 부활절에 살해당하기도 하였다(함께 있던 로렌초 데 메디치는 겨우 목숨을 건졌음).