До кінця XIII століття завдяки діяльності флорентійських торговців шерстю і банкірів місто розбагатів і невеликий собор Санта-Репарата побудований на честь святої, яку особливо шанували у Флоренції, так як в її день була здобута перемога над варварами, поруч з Баптістерієм Сан Джованні, вже не відображав нового статусу міста і став занадто тісним для швидко зростаючого торгового міста; розкопки залишків зтой церкви можна побачити всередині собору. Впливові купці Флоренції вирішили побудувати новий кафедральний собор і присвятити Богородиці, а назвали - «Собор Святої Марії з квіткою» (Santa Maria del Fiore), адже і ім'я самої Флоренції означає «квітуча».
Собор Санта Марія дель Фьоре був закладений в 1296 р Проект нового собору був досить дорогим, але все ж міська влада і процвітаючі гільдії сукноробів і ткачів вирішили взяти на себе витрати, але будівництво виявилося не тільки дорогим, але і дуже довгим.
Будівництво Собору доручили Арнольфо ді Камбіо, найбільшому тосканському архітектору кордону XIII-XIV століть Арнольфо ді Камбіо (близько 1240-1302), який роком раніше вже почав роботу над церквою Санта Кроче (1295-1383), а в 1298 році він же приступив до проектування Палаццо Веккьо. В архітектурі цієї францисканської церкви позначилися нові будівельні ідеї, найбільш яскраво проявилися в архітектурі Флоренції. Незвичайним для готики є єдність залитого світлом простору основного корпусу храму, завдяки ширині прольотів і легкості опор, на противагу традиційно готичним формам хорів. Ще більш сміливі нововведення ввів Арнольфо в проект собору Санта Марія дель Фьоре, використовуючи в своєму проекті елементи як норманської, так і готичної архітектури.
Першими були побудовані широкий центральний неф, бічні нави і восьмикутний барабан в східній частині собору. Але 1302 року Арнольфо ді Камбіо помер. Після смерті головного архітектора Дуомо Арнольфо ді Камбіо роботи були припинені майже на тридцять років. Будівництво відновилося лише в 1334 році з призначенням на посаду головного архітектора собору великого флорентійського художника Проторенессанса Джотто ді Бондоне. Але Джотто зосередив усі свої сили на дзвіниці - кампанілли. Він помер в 1337 році, так і не завершивши будівництво дзвіниці, що увійшла в історію під назвою Кампаніла Джотто, вона була остаточно завершена близько 1359 року одним з найбільших флорентійських архітекторів XIV століття Франческо Таленті. Знову відновлене в 1355 році будівництво збору за десять років дозволило дорости будівлі до склепінь. Незабаром головний архітектор знову змінився, і собор більш ніж через сто років з моменту заснування був майже добудований.
Коли справа дійшла до найскладнішої частини будівництва - купола, що вінчає восьмигранник, з'ясувалися помилки в розрахунках, адже різні частини будівлі зводилися в різний час різними поколіннями майстрів. Пропонувалося частково розібрати старий будинок і побудувати заново, збиралися компетентине комісії, був проведений референдум, в якому міг взяти участь кожен флорнетіец. Положення ускладнювалося ще й тим, що міська влада відмовилися фінансувати зведення дерев'яних лісів і підмостків для роботи будівельників.
Колуччі Салутаті описав вид Флоренції кінця треченто: «Піднімемось на гору, з якої можна добре бачити кожну щілину нашого міста Флоренції. Піднімемося і поглянемо вниз на міські стіни, що здіймаються до небес, на величні вежі, на великі церкви, на чудові палаци ... Наш Собор дивовижною роботи; якщо він коли-небудь буде закінчений, то жодна будівля, створене людськими руками, не зможе з ним зрівнятися: будівництво його коштувало великих грошей і великих труднощів, зараз воно доведене вже до четвертого ярусу: красу собору збільшує прекрасна дзвіниця. Ніщо не може бути більш нарядно викладено мармуром, більш майстерно розписано і прикрашено орнаментом. Але собор будується надто довго і, здається, в кінці кінців перетвориться в потворні руїни: скоро доведеться не тільки добудовувати його, але і ремонтувати ».
