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 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.

L'Orologio di Santa Maria del Fiore è un affresco (470x470 cm) di Paolo Uccello, databile al 1443 e conservato sulla controfacciata del Duomo di Firenze.

Giglio di Firenze o, più raramente, Giglio bottonato, è un termine utilizzato in araldica per indicare il giglio sbocciato (fiore dell'iris simile al lilium). Il giglio bottonato ha la «caratteristica prima quella di essere disegnato da cinque petali superiori (tre principali e due stami più sottili e bocciolati) e delle ramificazioni inferiori, tutte disposte in modo simmetrico».

Il Museo dell'Opera del Duomo è un museo di Firenze, sul lato nord-est della piazza del Duomo. Raccoglie opere d'arte provenienti dal complesso sacro del Duomo di Firenze, Battistero e Campanile di Giotto, con un nucleo importantissimo di statuaria gotica e rinascimentale. Tra le opere più importanti, lavori di Andrea Pisano, Arnolfo di Cambio, Nanni di Banco, i rilievi originali della Porta del Paradiso di Ghiberti, la Pietà Bandini di Michelangelo ed una delle più ampie collezioni al mondo di opere di Donatello, seconda solo al Museo nazionale del Bargello.