En 1330, on retrouve sous l'église Santa Reparata les reliques du vénéré évêque de Florence Saint Zanobi, ce qui donne une nouvelle impulsion à la construction. L'Arte della Lana qui avait reçu la charge de superviser le chantier, confie en 1334 la direction des travaux à Giotto, assisté par Andrea Pisano. Giotto se concentre sur le Campanile, pour lequel il fournit un projet (un dessin conservé au Duomo de Sienne en est probablement un reflet ; même le programme iconographique des reliefs du socle est au moins en partie le sien) et réussi à lancer la construction, mais il meurt 3 ans plus tard en 1337. Andrea Pisano continue le travail, surtout celui sur le campanile, mais il meurt de l'épidémie de peste noire de 1348 et les travaux se trouvèrent à nouveau bloqués. Ils repartirent guidés par Francesco Talenti.
La construction du transept basilical doit être vue comme une œuvre concertée, dans laquelle les conducteurs du chantier et les ouvriers, qui savaient bien qu'ils s'aventuraient dans une entreprise jamais tentée auparavant, procédèrent avec précaution, demandant des consultations, faisant des essais à l'échelle, décidant de modifications en cours de route, préparant des modèles alternatifs et dialoguant continuellement pendant toute la durée de la construction. Les autres architectes impliqués furent successivement Alberto Arnoldi, Pietro di Giovanni d'Ambrogio, Neri di Fioravante et Andrea Orcagna.
On attendit peu avant de reprendre les travaux, et dès 1349 le projet est transmis à Francesco Talenti, auquel on doit la finition du campanile et un nouveau projet qui change celui d'Arnolfo en modifiant la façade, avec un enchevêtrement (coûteux) décoratif de marbre sur les parois latérales. Talenti, entre les critiques, les débats et les menaces (les ouvriers proposeront de le mettre à l'amende pour le contraindre à être plus présent sur le chantier) met au point le modèle des piles titanesques de la nef, en réalisant les deux premiers franchissements.
Après 1359 Giovanni di Lapo Ghini (1360 - 1369) succède à la direction des travaux, et termine les trois premières travées, dont la principale caractéristique est le plan presque carré au lieu des travées en rectangle très prononcées du gothique français, le modèle dominant de l'époque. Les immenses travées florentines (à peine trois mètres plus basses que les voûtes de Beauvais, les plus hautes du gothique français) devaient couvrir un espace immense avec très peu de soutènement. La nef est donc pensée comme une salle dans laquelle les vides prévalent sur les néanmoins remarquables structures de l'architecture. Le rythme des soutènements est décidément différent de la forêt de pierre typique du gothique d'au delà des Alpes, ou des églises fidèles à ce modèle, comme la cathédrale de Milan. Il n'y a pas de précédents du point de vue des dimensions et de la structure qui puissent être cités comme antérieurs à ce projet. En 1375 l'ancienne église de Santa Reparata est définitivement abattue. Les nefs seront complétées et couvertes entre 1378 et 1380.
Les parois sont recouvertes à l'extérieur d'une fastueuse décoration de marbres polychrome de Campaglia, et de Carrare (marbre blanc), du Prato (vert serpentine), de Sienne et Monsummano (Rouge), Lavenza et quelques autres localités. Les bandes de marbre reproduisent la décoration soit du baptistère, soit du campanile.
Les quatre portes latérales sont réalisées, parmi elles, la porte des chanoines côté sud se fait remarquer par sa beauté, en style gothique fleuri, et la porte à la mandorle côté nord, ainsi nommée à cause de l'élément contenu dans la pointe gothique, avec le haut-relief de l'Assomption, œuvre de Nanni di Bianco (1414-1421). La porte à la mandorle est considérée comme le terrain de jeu de toute la nouvelle génération florentine de sculpteurs, qui marque la renaissance du chantier ; Donatello, peut-être Jacopo della Quercia, qui sculpte également le relief du tympan, remplacé ensuite par une mosaïque de Ghirlandaio, Luca della Robbia. Les six baies géminées latérales, au dessin typiquement gothique avec des ornements fins, sont placées au centre de vitraux répétés tout au long des bandes d'encadrement, les quatre dernières du transept donnent de la lumière à l'intérieur. En fait la réalisation de l'extérieur de l'édifice ne respecte pas le rythme intérieur de la travée. C'est un des motifs qui amèneront à la mise à l'écart de Talenti, rappelé plus tard pour se consacrer uniquement à la galerie.
Les fenêtres supérieures de la nef centrale sont en revanche des œils circulaires, une caractéristique découlant de la volonté de ne pas élever trop haut la nef centrale et assurer quand même une bonne luminosité. Les ouvertures circulaires, en outre, sont moins problématiques du point de vue structurel. Les nécessités de la staticité rendent indispensable le recours à des arcs rampants pour décharger une partie du poids des voûtes de la nef centrale sur les murs extérieurs ; de tels expédients, peut-être déjà prévus par Arnolfo (on les retrouve bien en vue sur les peintures d'Andrea da Bonaiuto), n'ont pas été digérés par les florentins, qui finalement décideront de les occulter en relevant les parois latérales avec un attique composé d'un rectangle de pierre verte à peine encadré de blanc. Cette solution fait coïncider la volonté d'imiter l'attique du baptistère et le besoin d'une couleur sombre qui rende moins visible l'expédient. Cet attique est généralement (de façon erronée) montré comme la preuve du fait que les murs extérieurs ont été commencés selon un projet d'Arnolfo et furent rehaussés par Talenti. La preuve indiscutable de l'erreur de cette affirmation est établie par la découverte que les épaisses bandes d'encadrement qui caractérisent des nefs latérales à partir de l'ouest étaient initialement prévues également pour la nef majeure (elles sont encore visibles dans les combles) que nous savons être un projet en partie érigé par Talenti.
Le choix de simplifier la décoration des murs extérieurs découle non pas tant de raisons de style où de goût mais plutôt de contenir les dépenses (il faut garder en tête que le revêtement en marbre du campanile de Giotto allait coûter à la fin presque deux millions de florins, un chiffre sans précédent). Enfin les tambours octogonaux sont élevés avec les mêmes grandes fenêtres circulaires. En 1421 la basilique est terminée et il ne reste à construire que la coupole.