La basilica di Santa Maria Novella costituisce un esempio concreto dello stretto rapporto tra scienza e arte. Nella seconda metà del Quattrocento fu affidato a Leon Battista Alberti il completamento della facciata, dove gli elementi medievali furono mirabilmente armonizzati con le parti nuove del progetto albertiano. Le relazioni delle parti fra loro e con il tutto sono stabilite da un armonico sistema proporzionale derivato dai semplici rapporti (uno a uno, uno a due, uno a tre, ecc.) che stanno alla base dell'armonia musicale. Questo sistema permise all'Alberti di definire la posizione e la dimensione di ogni elemento del prospetto. Il rapporto di uno a due governa la composizione dell'intera facciata, che risulta inscritta in un quadrato, mentre un quadrato minore (con lato pari alla metà di quello maggiore) stabilisce il rapporto tra i due piani, scompone la parte inferiore e circoscrive la parte centrale superiore. Questa relazione è mantenuta per tutti gli elementi del prospetto, cosicché tutta la facciata risulta costruita geometricamente sulla base di un progressivo dimezzamento o raddoppio delle misure, mantenendo sempre la stessa proporzione.

All'interno della Basilica si trova la celebre Trinità di Masaccio che, costruita entro uno spazio architettonico concepito secondo la regole prospettiche di Filippo Brunelleschi, costituisce un altro esempio del felice connubio fra scienza del disegno ed espressione artistica.

Nella seconda metà del Cinquecento, il domenicano Egnazio Danti, astronomo, matematico e geografo alla corte di Cosimo I de' Medici, collocò sulla facciata due strumenti astronomici che utilizzò per studiare il moto apparente del Sole. Sulla sinistra si trovano due cerchi equinoziali, sulla destra un quadrante il cui basamento reca due orologi solari. Sui riquadri marmorei della facciata, ai lati del quadrante, sono incisi altri due orologi solari. I calcoli eseguiti dal Danti furono importanti per correggere il calendario fino ad allora utilizzato. Il nuovo calendario, detto gregoriano da Papa Gregorio XIII, che ne promosse la riforma, stabilì che al giorno 4 ottobre 1582 seguisse immediatamente il 15 ottobre. In questo modo fu corretto un piccolo errore presente nel calendario promosso da Giulio Cesare, detto appunto giuliano. Nella stessa chiesa il Danti avviò, ma non portò a termine, anche la costruzione di un orologio solare monumentale. Sopra il rosone, nella fascia verde, al centro, si vede ancora il foro gnomonico, attraverso il quale il raggio di Sole avrebbe dovuto colpire la linea meridiana sul pavimento della chiesa.

La chiesa è associata anche alla figura di Galileo Galilei. Nel dicembre 1614, dal pulpito della chiesa, il domenicano Tommaso Caccini denunciò il carattere eretico del sistema copernicano, coinvolgendo anche Galileo che ne era un sostenitore. A questo reagirono alcuni discepoli dello scienziato pisano e Caccini ne riferì all'Inquisitore di Firenze perché frenasse «certi petulanti ingegni». Nelle lettere a Benedetto Castelli del 1613 e a Cristina di Lorena del 1615, Galileo rivendicò l'autonomia della scienza dalla fede. Il 24 febbraio 1616 la Chiesa di Roma condannò la tesi eliocentrica e il 5 marzo decretò la sospensione dell'opera di Copernico fino a quando non fosse stata corretta. Con l'ammonizione a Galileo ad abbandonare l'ipotesi copernicana, da parte di Bellarmino, si concluse quello che viene definito il primo processo a Galileo.