La chiesa di Santa Croce fu costruita a partire dal 1295 sul luogo di una preesistente chiesa francescana. Intorno al centro religioso si organizzava la vita spirituale, sociale, produttiva e culturale dell'intero quartiere. La chiesa divenne una straordinaria fucina nella quale lavorarono artisti come Giotto, Donatello e Brunelleschi. La presenza di monumenti funebri di personaggi illustri, fra i quali alcuni scienziati, fa di Santa Croce il "pantheon degli italiani", celebrato da Ugo Foscolo nei Sepolcri.

Dopo la morte di Galileo Galilei (1642) le sue spoglie furono depositate in una piccola stanza sottostante il campanile della chiesa di Santa Croce e attigua alla Cappella dei Santi Cosma e Damiano, in attesa della edificazione di un sepolcro monumentale. Tuttavia il progetto incontrò l'ostilità delle autorità ecclesiastiche, che fecero notare al Granduca Ferdinando II de' Medici l'inopportunità di erigere un monumento a un uomo condannato dalla Chiesa. Nel 1632, infatti, Galileo aveva pubblicato a Firenze il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, un'opera scopertamente copernicana. Il Dialogo era stato sequestrato e lo scienziato era stato convocato a Roma dal Sant'Uffizio. Il processo si era concluso con la condanna di Galileo, che era stato costretto ad abiurare e «lasciar la falsa opinione che il sole sia centro del mondo e che non si muova e che la terra non sia centro del mondo e che si muova». Nonostante le opposizioni, Vincenzo Viviani, il più giovane discepolo dello scienziato pisano, dedicò enormi energie al progetto di un sepolcro monumentale. Un degno tributo allo scienziato avrebbe consentito il pieno recupero del pensiero galileiano nel dibattito culturale ufficiale. Viviani tuttavia non riuscì a superare le resistenze degli ambienti ecclesiastici. Solo alla fine del regno di Giangastone de' Medici, a quasi un secolo dalla morte di Galileo, fu possibile inaugurare il sepolcro monumentale. Il 12 marzo 1737 i resti mortali di Galileo e di Viviani, insieme a un inaspettato terzo corpo di donna, probabilmente l'amata figlia di Galileo, suor Maria Celeste, furono traslati in processione dal luogo della prima sepoltura al nuovo sepolcro. L'impianto scultoreo presenta un apparato iconografico che allude alle maggiori intuizioni dello scienziato pisano. Ai lati dell'urna si trovano la statua della Geometria, scolpita da Girolamo Ticciati, che celebra le ricerche galileiane sul piano inclinato e sulla caduta dei gravi, e quella dell'Astronomia, opera di Vincenzo Foggini, che mostra la scoperta galileiana delle macchie solari. Il sepolcro è sovrastato dal busto di Galileo con in mano il cannocchiale. Il monumento presenta, in alto, lo stemma della famiglia Galilei.

Nella basilica troviamo anche i sepolcri di Fossombroni (personaggio decisivo nella complessa opera di bonifica della Maremma attuata da Leopoldo II), Eugenio Barsanti, ideatore, insieme a padre Felice Matteucci, del primo prototipo di motore a scoppio (si tratta di un motore che utilizza la combustione interna dei gas per produrre forza motrice), e del fisico Leopoldo Nobili.

Il complesso monumentale di Santa Croce è un luogo significativo per la scienza anche per l'affresco astronomico della Cappella de' Pazzi, progettata da Brunelleschi, che raffigura un cielo notturno, simile a quello della Sacrestia Vecchia di San Lorenzo.