Рішення про будівництво собору міське керівництво Флоренції прийняло в 1289 році і запросило одного з кращих архітекторів - Арнольфо ді Кампио. За основи майстер прийняв форму латинського хреста - три нефи, два бічних трансепта і напівкругла апсида, все в традиційній манері романо-готичного стилю. При цьому купол головного нефа повинен був бути як у римського Пантеону.
Споруджували храм на місці старого кафедрального собору Санта-Репарата, який простояв 9 століть. За цей час він сильно занепав. Батьки міста прагнули перевершити своїх суперників з міста Пізи і Сієни, кафедральні собори яких відрізнялися своєю незвичайною красою.
Після смерті ді Кампио в 1302 році будівництво собору припинилося майже на 30 років. Тільки в 1331 гільдія торговців шерстю Флоренції взяла на себе піклування про подальше зведенні собору і призначила головним архітектором - Джотто. Але цей майстер, який почав споруджувати дзвіницю, помер в 1337 році. А тут ще наскочило всенародне лихо - чума. Будівництво знову зупинилося.
Відновилися роботи над собором тільки в 1349 годупод керівництвом відразу декількох архітекторів. Вони закінчили дзвіницю Джотто, майже не змінивши її зовнішній вигляд, розширили площу будівництва.
Але навряд в 1380 році були готові стіни центрального нефа. Як виникли проблеми з куполом. У роботі знову настала перерва майже на 40 років. І тут свої послуги по зведенню 42-метрового купола запропонував не архітектор, а ювелір Філіппо Брунеллески. Він запропонував сконструювати спеціальні машини, які могли б піднімати необхідні матеріали на висоту.
Батьки міста довірилися молодому ювелірові і не помилилися - майстер за короткий строк реалізував свої плани і побудував купол без спираються на землю лісів. Цей високий купол визначив величність собору і став характерним силуетом для всієї Флоренції.
У 1436 собор Санта-МПРІ-дель-Фіоре освятив Папа Римський Євгеній IV.