Решение о строительстве собора городское руководство Флоренции приняло в 1289 году и пригласило одного из лучших архитекторов – Арнольфо ди Кампио. За основы мастер принял форму латинского креста – три нефа, два боковых трансепта и полукруглая апсида, все в традиционной манере романо-готического стиля. При этом купол главного нефа должен был быть как у римского Пантеона.

Воздвигали храм на месте старого кафедрального собора Санта-Репарата, который простоял 9 столетий. За это время он сильно обветшал. Отцы города стремились перещеголять своих соперников из города Пизы и Сиены, кафедральные соборы которых отличались своей необыкновенной красотой.

После смерти ди Кампио в 1302 году строительство собора приостановилось почти на 30 лет. Только в 1331 году гильдия торговцев шерстью Флоренции взяла на себя попечение о дальнейшем возведении собора и назначила главным архитектором – Джотто. Но этот мастер, который начал сооружать колокольню, умер в 1337 году. А тут еще нагрянуло всенародное бедствие – чума. Строительство вновь остановилось.

Возобновились работы над собором только в 1349 годупод руководством сразу нескольких архитекторов. Они закончили колокольню Джотто, почти не изменив её внешний облик, расширили площадь строительства.

Но едва в 1380 году были готовы стены основного нефа. Как возникли проблемы с куполом. В работе снова наступил перерыв почти на 40 лет. И тут свои услуги по возведению 42-метрового купола предложил не архитектор, а ювелир Филиппо Брунеллески. Он предложил сконструировать специальные машины, которые могли бы поднимать необходимые материалы на высоту.

Отцы города доверились молодому ювелиру и не ошиблись – мастер за короткий строк реализовал свои планы и построил купол без опирающихся на землю лесов. Этот высокий купол определил величественность собора и стал характерным силуэтом для всей Флоренции.

В 1436 году собор Санта-Мприя-дель-Фьоре освятил Папа Римский Евгений IV.