Nel 1334 Giotto, nominato capomastro dell'Opera del Duomo, avviò la costruzione e la decorazione del Campanile. Alla sua morte, nel 1337, subentrarono prima Andrea Pisano, poi Francesco Talenti che nel 1357 ultimò l'edificio.

Il ciclo scultoreo che decora il Campanile raffigura una sorta di enciclopedia medievale del sapere, traducendo in immagini il pensiero filosofico e teologico dell'epoca (le sculture originali sono conservate presso il Museo dell'Opera del Duomo). Il programma decorativo racconta il destino dell'uomo, presentato come un processo di incivilimento: l'uomo, creato dal fango, riesce a dominare il mondo con l'apprendimento delle tecniche, il controllo e lo sfruttamento delle risorse, l'intelligenza e la speculazione che lo rendono degno della Redenzione. Così nei rilievi esagonali del primo registro è raffigurata la creazione dell'uomo e la scoperta delle tecniche fondamentali: le "arti meccaniche", che consentono il dominio sulla natura, e le arti inerenti l'organizzazione della società. Nel registro superiore, le formelle a losanga raffigurano le "arti liberali", volte alla speculazione teorica, e le virtù che rendono l'uomo degno della salvezza, cui alludono le grandi sculture dell'ultimo ordine.

La scienza e la tecnica trovano un posto di primo piano nei rilievi del Campanile con le raffigurazioni allegoriche dell'astronomia, della medicina, dell'arte edificatoria, della tessitura, della navigazione, della geometria e dell'aritmetica. Benché le attività umane siano presentate attraverso la personificazione dei loro mitici inventori, biblici o classici, i rilievi offrono degli spaccati sulla vita fiorentina del Trecento. Così la formella dedicata alla medicina rappresenta uno studio medico medievale: alcune donne attendono di consegnare al medico la matula, un recipiente per contenere l'urina da analizzare che era costituita da un vaso di vetro chiaro e sottile, racchiuso in una fasciatura di paglia, con coperchio e manico. L'iconografia, soprattutto medievale, raffigura spesso, come in questa formella, un medico nell'atto di osservare controluce l'urina contenuta nella matula. In questo modo si sottolinea l'importanza dell'analisi dei dati reali per una corretta diagnosi. Per questo la matula divenne uno degli emblemi dei medici.

Grande spazio, tra i rilievi del Campanile, è dedicato all'astronomia. Il primo rilievo del lato sud (verso via de' Calzaiuoli) raffigura Gionitus, mitico inventore dell'Astronomia, intento a osservare l'altezza dei corpi celesti con un quadrante, uno strumento scientifico che deve il suo nome alla tipica forma a quarto di cerchio. Da notare, inoltre, le formelle a losanga del lato ovest del Campanile, che raffigurano i corpi celesti dell'astronomia medievale.