آرنولفو (Arnolfo ) معمار قرون وسطی در اواخر قرن سیزدهم ساخت کلیسا را آغاز کرد اما پیش از پایان کار فوت نمود و سوراخ بزرگ روی بام مدتی منتظر مردی بزرگ بود تا معماری این ساختمان گوتیک را تمام کند.

طرح برونلسکی (Brunelleschi)  با  الهام از پانتئون رم در سال ۱۴۱۹ برنده مسابقه طراحی گنبد گشت. طرح او در حین کار تغییرات بسیاری نمود. گنبد نهایی هشت وجهی با ۴۲ متر قطر و ۳۲ متر ارتفاع دو لایه است. سازه گنبد به صورتی است که به صورت خود ایستا نیرو را منتقل می‌کند. بنابراین پیش از کامل شده گنبد، سازه قدرت تحمل بار خود را نداشته و با قالب و شمع مهار شده بود. گنبد داخلی ۹ دایره در هم است که به زیبایی با تابلوی آخر الزمان (Last Judgment) توسط جرجو واساری و فردیریکو زوکاری منقوش شده است.

فضای باسیلیکایی داخل کلیسا همچون سایر کلیساهای گوتیک ساده و با شیشه‌های نقاشی شده تزیین شده است. تزیینات دیگر به مرور زمان از بین رفته و یا به موزه‌ها منتقل شده است. ناو(nave) اصلی و دو راهروی جانبی با قوس‌های بزرگ از هم جدا شده اند. کف سالن ۱۵۳ در ۳۸ متری با سنگ‌های مرمر رنگی مفروش شده است.

۶۰۰ سال پس از ساخت کلیسا در زمان جشن شکل گیری ایتالیایی متحد نمای کلیسا با سنگ سفید، قرمز و سبز توسط جوتو (Giotto) پوشیده و تزیین شد.

برج ناقوس در مربعی به ضلع حدود ۱۵ متر و ارتفاع ۸۷ متر توسط جوتو (Giotto) به کلیسا اضافه گشته است. ۴۱۴ پله برج تصویری ناب از گنبد کلیسا و کل شهر به بیننده می‌دهد.

ساختمان هشت وجهی تعمیدگاه روبروی درب اصلی کلیسا واقع شده است. دو درب برنزی ورودی از شاهکارهای ساختمان است.