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La cattedrale metropolitana di Santa Maria del Fiore, conosciuta comunemente come duomo di Firenze, è la principale chiesa fiorentina, simbolo della città ed uno dei più famosi d'Italia; quando fu completata, nel Quattrocento, era la più grande chiesa al mondo, mentre oggi è ritenuta la terza in Europa dopo San Pietro a Roma e il Duomo di Milano. Essa sorge sulle fondamenta dell'antica cattedrale di Firenze, la chiesa di Santa Reparata, in un punto della città che ha ospitato edifici di culto sin dall'epoca romana. La costruzione del Duomo, ordinata dalla Signoria fiorentina, inizia nel 1296 e termina dal punto di vista strutturale soltanto nel 1436. I lavori iniziali furono affidati all'architetto Arnolfo di Cambio per poi essere interrotti e ripresi numerose volte nel corso dei decenni (da Giotto, Francesco Talenti e Giovanni di Lapo Ghini). Al completamento della cupola del Brunelleschi seguì la consacrazione da parte di papa Eugenio IV il 24 marzo del 1436. La dedica a Santa Maria del Fiore avvenne in corso d'opera, nel 1412. La pianta del Duomo è composta da un corpo di basilica a tre navate saldato ad un'enorme rotonda triconca 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. Alla base della lanterna in marmo, è presente una terrazza panoramica sulla città posta a 91 metri da terra. La facciata del Duomo in marmi policromi è di epoca moderna, risale infatti al 1887 ad opera di Emilio de Fabris ed è un importante esempio di stile neogotico in Italia. È la cattedrale dell'Arcidiocesi di Firenze e può contenere fino a trentamila persone. Ha la dignità di basilica minore.

La facciata di Santa Maria del Fiore fu uno degli elementi più tormentati nella storia della costruzione della cattedrale fiorentina. Avviata al tempo di Arnolfo di Cambio e decorata, fino al Quattrocento, da importanti lavori scultorei, venne demolita nel 1587 e, nonostante i numerosi progetti, mai rifatta fino all'Ottocento, quando fu messo in opera il progetto di Emilio De Fabris, che si vede ancora oggi. Oggetto di polemiche mai sopite, l'opera è oggi un importante esempio di stile neogotico in Italia.

Il campanile di Giotto è la torre campanaria di Santa Maria del Fiore, la cattedrale di Firenze, e si trova in piazza del Duomo. Le sue fondamenta furono scavate attorno al 1298 all'inizio del cantiere della nuova cattedrale, quando capomastro era Arnolfo di Cambio. Nel 1334 Giotto di Bondone subentrò nell'incarico di capomastro. Vasari, nella “Vita di Giotto”, riferisce del suo arrivo «l'anno 1334 a dì 9 di luglio, al campanile di S. Maria del Fiore», quando iniziò a occuparsi subito della costruzione del primo piano del campanile disinteressandosi - secondo quanto sostiene una leggenda - del cantiere della basilica. La posizione inusuale del campanile, allineato con la facciata, riflette la volontà di conferirgli una grande importanza come segno di forte verticalità al centro della Insula Episcopalis, oltre probabilmente alla necessità pratica di liberare la visuale della zona absidale per la grande cupola, prevista sin dal progetto arnolfiano. Giotto fornì un progetto originale del campanile, con una terminazione a cuspide piramidale alta 50 braccia fiorentine (circa 30 metri), secondo cui l'elevazione totale sarebbe dovuta essere di 110-115 metri circa. Un disegno conservato nel Museo dell'Opera del Duomo di Siena è considerato da alcuni studiosi ispirato a questo progetto. Tuttora l'altezza del campanile visitabile al pubblico è di 82 metri e il numero degli scalini per salire sulla sommità è 398 originali a cui si devono aggiungere 15 che fanno parte della prima rampa di accesso.

La cupola di Brunelleschi è la copertura della crociera del Duomo di Firenze; al momento della costruzione era la cupola più grande del mondo e rimane tuttora la più grande cupola in muratura mai costruita (il diametro massimo della cupola interna è di 45,5 metri, mentre quello dell'esterna è di 54,8). Grazie alla fondamentale rilevanza che essa ha rivestito per il successivo sviluppo dell'architettura e della moderna concezione del costruire, essa è tutt'oggi considerata da alcuni la più importante opera architettonica mai edificata in Europa dall'epoca romana. La sua grandezza impedì il tradizionale metodo costruttivo mediante l'ausilio di cèntine, facendo sì che venissero formulate molte ipotesi sulla tecnica costruttiva impiegata.

Piazza del Duomo è situata nel cuore del centro storico di Firenze. È dominata dalla mole della cattedrale di Santa Maria del Fiore e degli edifici correlati come il campanile di Giotto e il battistero di San Giovanni, anche se l'ipotetica linea fra via de' Martelli e via Calzaiuoli divide la piazza in due sezioni, con il battistero nell'omonima piazza San Giovanni.