I lavori iniziarono con lo scavo delle fondazioni, poi con l'elevazione dei muri delle navate laterali; si procedette così per lasciare il più a lungo possibile la chiesa di Santa Reparata in grado di funzionare come cattedrale.

A capo del cantiere venne posto Arnolfo di Cambio che già aveva probabilmente lavorato alla vasta chiesa di Santa Croce in Firenze e nello stesso torno di tempo dirigeva la costruzione del Palazzo della Signoria. Sono ancora in discussione sia la questione della reale esistenza di un progetto di Arnolfo di Cambio, sia della sua visibilità nella struttura odierna: alla luce dei pochi ed incompleti scavi condotti non è possibile dare una risposta certa, ma nel complesso è innegabile che alcuni caratteri della cattedrale attuale paiano fortemente arnolfiani anche se furono eseguiti da altri capomaestri, quindi l'esistenza di un progetto originario è probabile.

Si ritiene tradizionalmente che nella rappresentazione della Chiesa trionfante negli affreschi di Andrea di Bonaiuto nel Cappellone degli Spagnoli in Santa Maria Novella, sia presente una plausibile raffigurazione del modello ligneo presentato da Arnolfo. Non mancano, comunque, le perplessità: il campanile, troppo simile a quello veramente realizzato, è più tradizionalmente "spostato" nell'area absidale; la cupola, seppure gotica nell'ornamentazione, è una tradizionale cupola semisferica; inoltre, potrebbe più semplicemente riflettere, più che il modello di Arnolfo, quello presentato all'Opera del Duomo dallo stesso autore dell'affresco.

Probabilmente, già Arnolfo aveva pensato una chiesa dotata di una grande cupola, ispirata al modello romano di Santa Maria della Rotonda (il Pantheon), e con l'intento di superare le dimensioni del Battistero. Nonostante alcune incertezze dei critici, gli scavi hanno confermato che le prime fondazioni che sia possibile attribuire a Santa Maria del Fiore si trovano sotto l'attuale facciata (il cosiddetto muro 100) e sotto i muri laterali, estendendosi poi a sud della facciata, venendo così a confermare l'ipotesi che Arnolfo avesse progettato una chiesa larga quanto l'attuale, seppur con asse ruotato pochi gradi più a sud, e munita di un campanile isolato a sud della facciata. L'esiguo spessore di queste fondazioni rende probabile una altezza progettata assai inferiore a quella poi raggiunta. La facciata fu subito iniziata, nonostante secondo la prassi fosse un elemento generalmente posposto rispetto alla costruzione di altre parti della chiesa, perché con la demolizione della prima campata di Santa Reparata, decisa per lasciare maggiore spazio al Battistero, si rese necessario chiudere l'antica chiesa in modo da garantirne un uso provvisorio più lungo possibile.

Anche il grande ballatoio sporgente, pur essendo stato eseguito materialmente da Francesco Talenti, è un indizio di carattere tipicamente arnolfiano. I critici lo accostano al cornicione di Santa Croce (tradizionalmente attribuitagli) ed a quello di altre opere analoghe come il Duomo di Orvieto e quello di Siena. In particolare, Angiola Maria Romanini, studiosa dello scultore, sottolinea come il cornicione-ballatoio sia una costante immancabile [...] in tutte le architetture arnolfiane.

Alla morte di Arnolfo nel 1302, contemporanea a quella di altri promotori del cantiere, come il Vescovo Monaldeschi e il Cardinale Matteo d'Acquasparta, legato papale, i lavori subirono un rallentamento e furono in seguito sospesi per circa 30 anni.