Stilistisch verkörpert der Duomo di Santa Maria del Fiore den Übergang von der Gotik zur Renaissance. Im 13. Jh. nahm seine lange Baugeschichte ihren Anfang, an der Planung waren Arnolfo di Cambio und Giotto beteiligt.
Die filigrane Fassade entstand Ende des 19. Jh. im Stil der Neorenaissance. Sie ist reich mit weißem, grünem und rotem Marmor verziert. Die Vorgängerfassade war unvollendet geblieben und wurde im 16. Jh. wieder abgenommen. Baudekor und Skulpturen bewahrt das benachbarte Museo dell'Opera del Duomo. Auch im Innern der Kirche können interessante Kunstwerke bewundert werden, allen voran Paolo Uccellos Fresko ›Reiterstandbild des John Hawkwood‹ von 1436 an der nördlichen Langhauswand. Das als Grabmal gedachte Wandgemälde ist zugleich eines der ersten Bilder der Renaissance, das durch perspektivische Verkürzung den Eindruck von Dreidimensionalität zu erwecken sucht.
Eine schwierige Aufgabe meisterte auch Filippo Brunelleschi als Leiter des Kuppelbaus: 41 m Raumdurchmesser waren zu überspannen. Er entwickelte eine neuartige Konstruktion aus zwei sich gegenseitig stützenden Kuppelschalen. Die Bauweise kann studieren, wer die Treppe zur Kuppel erklimmt. Über eine Galerie im Innern der Kuppel geht es zur Aussichtskanzel am Fuß der Laterne mit Blick auf Stadt und toskanisches Hügelland.
