L’inizio del progetto per l’edificazione del Duomo di Firenze è databile al 1296 per volere della Signoria fiorentina. I lavori iniziali furono affidati all’architetto Arnolfo di Cambio per poi essere interrotti e ripresi numerose volte nel corso dei decenni da Giotto, Francesco Talenti e Giovanni di Lapo Ghini. Al completamento della cupola del Brunelleschi seguì la dedicazione da parte di papa Eugenio IV il 24 marzo 1436. L’intitolazione a Santa Maria del Fiore avvenne in corso d’opera, nel 1412. La pianta del Duomo è composta da un corpo di basilica a tre navate saldato ad un’enorme rotonda triconca che sorregge l’immensa cupola del Brunelleschi, la più grande cupola in muratura mai costruita. Al suo interno è visibile la più grande superficie mai decorata ad affresco: 3600 m², eseguiti tra il 1572-1579 da Giorgio Vasari e Federico Zuccari. Alla base della lanterna in marmo, è presente una terrazza panoramica sulla città posta a 91 metri da terra. La facciata del Duomo in marmi policromi è di epoca moderna, risale infatti al 1887 ad opera di Emilio de Fabris, ed è un importante esempio di stile neogotico in Italia.
La cupola del Brunelleschi ospita anche uno strumento astronomico per lo studio del sole, rappresentato dal grande gnomone creato da Paolo Toscanelli e restaurato da Leonardo Ximenes. Più di uno gnomone vero e proprio, inteso come asta che proietta un’ombra su una zona illuminata, si tratta di un foro gnomonico presente sulla lanterna ad un’altezza di 90 metri, che dà una proiezione del sole su una superficie in ombra, in questo caso il pavimento della cattedrale. L’utilizzo più importante dello gnomone al tempo della sua creazione fu quello di stabilire il solstizio esatto, cioè la massima altezza del sole nel cielo a mezzogiorno durante l’anno e, quindi, la durata dell’anno stesso, osservazioni che porteranno insieme ad altre analoghe rilevazioni, come quella del 1510 ricordata da un disco di marmo nel pavimento della cappella Della Croce nell’abside destra della cattedrale, a convincere papa Gregorio XIII circa la necessità di riformare il calendario, allineando la data solare con quella ufficiale e creando il calendario gregoriano (1582).
Nei secoli successivi, lo strumento ebbe modo anche di essere usato per indagini più ambiziose, come quella promossa dall’astronomo della corte granducale Leonardo Ximenes nel 1754, che si propose di studiare se l’inclinazione dell’asse terrestre variasse nel corso del tempo, una questione molto dibattuta dagli astronomi del tempo. Le sue osservazioni, confrontate con quelle del 1510 furono incoraggianti e, ripetute per più anni, gli permisero di calcolare un valore dell’oscillazione terrestre congruente con quello odierno. Fu lui che tracciò la linea meridiana in bronzo sul pavimento della stessa Cappella dove è presente il disco di Toscanelli. Pochi decenni dopo, però, lo gnomone di Santa Maria del Fiore divenne obsoleto sia per la scoperta di nuove strumentazioni che permettevano osservazioni più precise, con un ingombro ridotto a pochi metri, sia perché ci si accorse che le misurazioni erano influenzate dai piccoli movimenti della cupola dovuti alla temperatura esterna.