La catedral (o duomo en italiano) consagrada a Santa María del Fiore se encuentra en pleno casco antiguo de la ciudad. Data del siglo XIV, y es famosa por su gran cúpula, que tiene 45 m de diámetro y 100 de altura. Fue diseñada por Brunelleschi. En el interior contiene unos frescos de Giorgio Vasari que representan el juicio final. El edificio, de unas dimensiones gigantescas, tiene planta de cruz latina, con una nave principal y dos laterales. El suelo está recubierto de mármol de colores que forma un laberinto de formas y texturas. Excepto la cúpula y los tejados de cerámicas naranjas, las paredes del templo están recubiertas de mármol toscano blanco, verde y rosa.

Una característica que tienen muchos templos italianos es que el campanario no está unido a la iglesia, sino separado, a pocos metros de la misma. El campanile de Florencia fue diseñado por Giotto y está completamente recubierto por mármol toscano de colores vivos.

Justo delante de la catedral se encuentra el suntuoso baptisterio. El gran atractivo del baptisterio es la puerta Este, con paneles donde Ghiberti talló unos bajorrelieves en la madera y más tarde recubrió con papel de oro.