Era nel 1971 la quinta chiesa d'Europa per grandezza, dopo la Basilica di San Pietro, la Cattedrale di San Paolo a Londra, la Cattedrale di Siviglia e il Duomo di Milano. È lunga, infatti, 153 metri mentre il basamento della cupola è largo 92 braccia fiorentine, pari a circa 54 metri. Ha una pianta peculiare, composta com'è di un corpo basilicale a tre navate saldato ad una enorme rotonda triconica che sorregge l'immensa Cupola del Brunelleschi, la più grande cupola in muratura mai costruita. Al suo interno è visibile la più grande superficie mai decorata ad affresco; 3600 m², eseguiti tra il 1572-1579 da Giorgio Vasari e Federico Zuccari. La costruzione, iniziata sulle antiche fondazioni della chiesa di Santa Reparata nel 1296 da Arnolfo di Cambio, fu continuata da Giotto a partire dal 1334 fino alla sua morte avvenuta nel 1337. Francesco Talenti e Giovanni di Lapo Ghini la continuarono nel 1357. Nel 1412 la nuova cattedrale fu dedicata a Santa Maria del Fiore, e consacrata il 25 marzo del 1436 al termine dei lavori della cupola del Brunelleschi da papa Eugenio IV. Può contenere fino a trentamila persone. Santa Maria del Fiore colpisce per le dimensioni monumentali e per il suo apparire come monumento unitario, soprattutto all'esterno, grazie all'uso degli stessi materiali: marmo bianco di Carrara, verde di Prato, rosso di Maremma e il cotto delle tegole. A un'analisi più accurata ciascuna delle parti rivela notevoli diversità stilistiche, dovute al lunghissimo arco di esecuzione temporale, dalla fondazione al completamento ottocentesco. Nel 1418 fu indetto un concorso pubblico per la progettazione della cupola, o anche solo di macchine atte al sollevamento di pesi alle altezze mai raggiunte prima da una costruzione a volta, cui parteciparono numerosi concorrenti. Il concorso, generalmente considerato come l'inizio dei lavori alla cupola, non ebbe alcun vincitore ufficiale: il cospicuo premio messo in palio non fu infatti assegnato. Si misero tuttavia in luce due artisti emergenti che si erano già scontrati nel concorso per la porta nord del battistero del 1401: Filippo Brunelleschi e Lorenzo Ghiberti. Tracce d'archivio riportano come Brunelleschi predispose un modello e fece una prova generale per la costruzione della cupola senza centina nella chiesa di San Jacopo Soprarno. Si stabilì dunque che si cominciasse a costruire la cupola fino all'altezza di trenta braccia e poi si decidesse come continuare, in base al comportamento delle murature. L'altezza indicata non era casuale, ma era quella alla quale i mattoni avrebbero dovuto essere posati ad un angolo tale (rispetto all'orizzontale) da non poter essere trattenuti al loro posto dalle malte a lenta presa conosciute dai muratori dell'epoca (la tecnica romana della "pozzolana" non era più in uso) con conseguente rischio di crolli. Brunelleschi adottò una soluzione altamente innovativa, predisponendo una doppia calotta in grado di autosostenersi durante la costruzione, senza ricorrere alle tradizionali armature di sostegno. Dopo essersi liberato del rivale con uno stratagemma, Brunelleschi ebbe il campo libero per occuparsi del grandioso progetto, risolvendo via via tutte le difficoltà che questo comportava: dalla costruzione di gru e carrucole, alla predisposizione di rinforzi, dall'organizzazione del cantiere alla decorazione esterna, che venne risolta con la creazione dei suggestivi costoloni in marmo. La cupola interna appare di spessore enorme (due metri e mezzo alla base), mentre quella esterna è più sottile (inferiore ad un metro), con l'unica funzione di proteggere la cupola interna dalla pioggia e farla apparire, secondo le parole dell'architetto, più magnifica e gonfiante all'esterno. La disposizione dei mattoni a spina di pesce serviva soprattutto a creare un appiglio per le file dei mattoni in modo da impedirne lo scivolamento fino alla presa della malta. Per la complessità dell'impresa e lo straordinario risultato ottenuto, la costruzione della cupola è considerata la prima, grande affermazione dell'architettura rinascimentale. La facciata della cattedrale era rimasta incompiuta, essendo presente solo la parziale costruzione decorativa risalente ad Arnolfo di Cambio. Già nel 1491 Lorenzo il Magnifico aveva promosso un concorso per il completamento, ma non fu trovata attuazione. Nel 1587, sotto Francesco I de' Medici, la parte decorativa esistente venne distrutta su proposta di Bernardo Buontalenti, che avanzò un suo progetto più "moderno", tuttavia mai realizzato. Nei secoli successivi la cattedrale venne dotata di facciate effimere in occasione di importanti celebrazioni, e fu solo nel 1871 che, dopo un concorso internazionale, vivaci discussioni e aspri dibattiti, si iniziò a costruire una facciata vera e propria, su progetto di Emilio De Fabris che alla sua morte fu continuato da Luigi del Moro fino alla conclusione dei lavori nel 1887. L'interno, piuttosto semplice ed austero, dà una forte impressione di vuoto aereo. Le immense campate fiorentine (appena tre metri più basse delle volte della Cattedrale di Beauvais, le più alte del gotico francese) dovevano coprire un immenso spazio con pochissimi sostegni. La navata era, quindi, pensata come una sala in cui i vuoti prevalevano sulle pur ragguardevoli strutture architettoniche. Il ritmo dei sostegni era decisamente diverso dalla foresta di pietra tipica del gotico d'oltralpe, o di chiese fedeli a quel modello, come il Duomo di Milano. Non vi sono precedenti per dimensioni e struttura che possano essere citati come antefatti di questo progetto. L'altezza dell'imposta delle volte nella navata è di 23 metri, al sommo dell'estradosso delle volte di circa 45 metri e il dislivello dal pavimento alla cima della cupola interna è di circa 90 metri. La cupola del Brunelleschi ospita uno strumento astronomico per lo studio del sole, rappresentato dal grande gnomone creato da Paolo Toscanelli e restaurato da Leonardo Ximenes. Più di uno gnomone vero e proprio, inteso come asta che proietta un'ombra su una zona illuminata, si tratta di un foro gnomonico presente sulla lanterna ad un'altezza di 90 metri, che dà una proiezione del sole su una superficie in ombra, in questo caso il pavimento della cattedrale. Uno strumento del genere esisteva anche nel Battistero di San Giovanni già attorno all'anno Mille (il foro è stato poi chiuso), ma nel 1475 l'astronomo Toscanelli approfittò del completamento della cupola per installare una lastra bronzea con un foro circolare di circa 4 centimetri di diametro, che desse un'immagine ottimale dell'astro. Studiando infatti il rapporto tra altezza e diametro del foro si ottenne una vera a propria immagine solare stenopeica, capace di mostrare anche le macchie solari o l'avanzare delle eclissi in corso, oppure il raro passaggio di Venere tra il sole e la terra. L'utilizzo più importante dello gnomone al tempo della sua creazione fu quello di stabilire il solstizio esatto, cioè la massima altezza del sole nel cielo a mezzogiorno durante l'anno e, quindi, la durata dell'anno stesso, osservazioni che porteranno insieme ad altre analoghe rilevazioni, come quella del 1510 ricordata da un disco di marmo nel pavimento della cappella Della Croce nell'abside destra della cattedrale, a convincere papa Gregorio XIII circa la necessità di riformare il calendario, allineando la data solare con quella ufficiale e creando il calendario gregoriano (1582).