Piazza del Duomo, oltre ad essere il fulcro del centro storico, da sempre rappresenta il cuore religioso della città. Qui si trovano i più importanti edifici religiosi di Firenze: la Cattedrale di Santa Maria del Fiore, il Battistero di San Giovanni e il Campanile di Giotto.

Il Duomo, dedicato alla Madonna con il titolo di Santa Maria del Fiore, è stato costruito sopra l'antica cattedrale di Santa Reparata, che era diventata troppo piccola per accogliere l'intera popolazione cittadina. Questo capolavoro rinascimentale è la quarta chiesa più grande del mondo, dopo San Pietro a Roma, la Cattedrale di St. Paul a Londra e il Duomo di Milano. La basilica è costituita da tre navate unite a un'enorme abside triconca, che sorregge la Cupola del Brunelleschi, la più grande cupola mai costruita interamente in muratura.
È rivestito di marmo bianco di Carrara, verde di Prato, rosso di Maremma e la cupola con tegole in cotto.

Il Battistero, dedicato a San Giovanni Battista, patrono di Firenze, si trova di fronte alla Basilica del Duomo ed è l'edificio più antico della piazza. Esso era il simbolo della comunità cristiana e ospitava i battesimi dei fiorentini. L'edificio ha dimensioni ampie per poter accogliere la moltitudine di persone che si riuniva nei due giorni dell'anno in cui si celebravano i battesimi.