La cattedrale di Santa Maria del Fiore fu fondata nel 1296 al posto della basilica paleocristiana di Santa Reparata. La costruzione prese avvio dalla facciata, probabilmente su progetto dell'architetto fiorentino Arnolfo di Cambio, e si protrasse per circa due secoli (ma la facciata verrà completata solo alla fine dell'Ottocento). Da sempre considerata tempio dell'arte, oltre che luogo di culto, la Cattedrale conserva anche importanti testimonianze che rimandano al mondo della scienza.

Al 1475 risale la realizzazione, da parte del matematico Paolo dal Pozzo Toscanelli, di uno gnomone, il più alto mai realizzato in una chiesa e il più antico conservatosi. Esso consente di controllare il momento del passaggio del Sole al solstizio d'estate. Alla base della lanterna della cupola è collocata una tavoletta di bronzo, detta bronzina, che reca il foro gnomonico. Nel periodo tra maggio e luglio, i raggi solari, filtrando attraverso questo foro, danno luogo a un'immagine del Sole, circa 90 metri più in basso, sul pavimento della Cappella della Croce, dove si trovano i segni solstiziali rinascimentali e la linea meridiana installata nel 1755 dal gesuita Leonardo Ximenes.

L'orologio di Paolo Uccello, sulla controfacciata, idealmente certifica il passaggio dal moto del Sole al computo meccanico del trascorrere del tempo. Costituito da un cerchio inscritto in un quadrato, è diviso in 24 settori corrispondenti alle ore segnate con cifre romane. Caratteristica peculiare di questo orologio è la disposizione delle ore in senso antiorario, a partire dal basso, secondo una consuetudine derivata dalle meridiane.

Nella navata sinistra, accanto a uno degli ingressi laterali, si trova un dipinto quattrocentesco di Domenico di Michelino che raffigura Dante e la Divina Commedia. A sinistra dell'osservatore è l'Inferno, sullo sfondo la montagna del Purgatorio, circondata dalle acque, e sulla destra Gerusalemme, raffigurata come Firenze. Il dipinto offre un'interessante immagine della concezione del cosmo nel Medioevo. Intorno alla Terra ruotano le sfere celesti, rappresentate da strisce di diverse tonalità di azzurro, che nella concezione aristotelica corrispondono alle sedi dei pianeti allora conosciuti, mentre l'ultima sfera è quella delle stelle fisse. Nell'universo dantesco i cieli sono dieci: l'ultimo è l'Empireo, sede eterna di Dio e dei Beati. È curioso notare come nel dipinto, che raffigura Dante e la Divina Commedia, il numero dei cieli non corrisponda a quello proposto dal poeta, bensì a quello più diffuso nella cosmologia medievale. In ogni caso si tratta di un importante documento figurato di una concezione dell'universo che verrà messa in discussione dal sistema copernicano e dalle scoperte astronomiche di Galileo.

Il busto dello scienziato pisano, opera di Adolfo Calducci, è raffigurato all'esterno, nella monumentale facciata. Lo si può osservare nell'angolo sinistro, in basso, della cornice che inquadra il rosone centrale. Il busto è accostato al cannocchiale, uno degli strumenti simbolo della rivoluzione astronomica. Attorno allo stesso rosone si possono ammirare anche i ritratti ideali di Marsilio Ficino, Paolo dal Pozzo Toscanelli, Amerigo Vespucci, sempre del Calducci, e quelli di Pippo Spano e Niccolò Acciaiuoli attribuiti a Passaglia.

Il percorso scientifico di questo straordinario complesso artistico prosegue nella Cupola, nel Campanile di Giotto, nel Battistero e nel Museo dell'opera del Duomo.