Nel 1330 il ritrovamento sotto Santa Reparata delle reliquie del venerato vescovo di Firenze San Zanobi diede nuovo impeto alla costruzione. L’Arte della Lana , che aveva ricevuto l’incarico di sovrintendere alla costruzione, nel 1334 affidò la direzione dei lavori a Giotto , assistito da Andrea Pisano. Giotto si concentrò sul Campanile di cui fornì un progetto (un disegno conservato nell'Opera del >Duomo di Siena ne è probabilmente un riflesso; anche il programma iconografico dei rilievi basamentali è almeno in parte suo) e riuscì ad iniziare la costruzione, ma morì dopo soli 3 anni nel 1337. Andrea Pisano continuò i lavori, anch'egli soprattutto sul campanile, ma morì con l'arrivo della peste nera nel 1348 e i lavori furono di nuovo bloccati, per ripartire sotto la guida di Francesco Talenti.

La costruzione del corpo basilicale deve essere vista come un'opera corale, in cui capomastri e operai, che sapevano bene di avventurarsi in un'opera mai tentata prima, procedettero con cautela, chiedendo consulti, facendo prove in scala, decidendo modifiche in corso d'opera, preparando modelli alternativi e discutendo con grande continuità durante tutto l'arco della costruzione. Altri architetti impegnati furono in seguito Alberto Arnoldi, Giovanni d'Ambrogio, Neri di Fioravante e l'Orcagna.

Non si aspettò molto per riprendere i lavori e già nel 1349 il progetto passò a Francesco Talenti, al quale si deve il completamento del campanile ed un nuovo progetto che alterò quello arnolfiano muovendo dalla facciata, con una intricata (e costosissima) decorazione marmorea delle pareti laterali. Talenti, tra critiche, dibattiti e minacce (gli operai proposero di multarlo per costringerlo ad essere più presente sul cantiere) mise a punto il modello dei titanici pilastri della navata, realizzando i primi due valichi.

Dopo il 1359 gli successe alla direzione dei lavori Giovanni di Lapo Ghini (1360–1369) che ultimò le prime tre campate, la cui principale caratteristica era la pianta pressoché quadrata in luogo delle tradizionali campate a pianta rettangolare molto pronunciata del gotico francese, allora il modello dominante. Le immense campate fiorentine (appena tre metri più basse delle volte di Beauvais, le più alte del gotico francese) dovevano coprire un immenso spazio con pochissimi sostegni. La navata era, quindi, pensata come una sala in cui i vuoti prevalevano sulle pur ragguardevoli strutture architettoniche. Il ritmo dei sostegni era decisamente diverso dalla foresta di pietra tipica del gotico d'oltralpe, o di chiese fedeli a quel modello, come il Duomo di Milano. Non vi sono precedenti per dimensioni e struttura che possano essere citati come antefatti di questo progetto. Nel 1375 l'antica chiesa di Santa Reparata fu definitivamente abbattuta. Le navate furono completate con la copertura tra il 1378 ed il 1380.

Le pareti furono ricoperte all'esterno da una sfarzosa decorazione a marmi policromi da Campiglia, poi Carrara (marmo bianco), Prato (serpentino verde), Siena e Monsummano (rosso), Lavenza e qualche altra località. Le bande in marmo ripresero sia la decorazione del Battistero, sia quella del Campanile.

Furono realizzate quattro porte laterali, fra le quali spiccavano per bellezza la Porta dei Canonici verso sud, in stile gotico fiorito, e la Porta della Mandorla verso nord, detta così per l'elemento contenuto nella cuspide gotica con l'altorilievo dell'Assunta, opera di Nanni di Banco (1414-1421). La porta della Mandorla è considerata la palestra di tutti gli scultori della nuova generazione fiorentina, che introdurrà il rinascimento nel cantiere; Donatello, forse Jacopo della Quercia, che scolpisce anche il rilievo della lunetta, poi sostituito dal mosaico del Ghirlandaio, Luca della Robbia. Le sei bifore laterali, dal disegno tipicamente gotico con fini ornamenti, sono piazzate al centro di specchiature scandite da lesene; le ultime quattro verso il transetto danno luce all'interno. Talenti, che probabilmente doveva fronteggiare alcuni problemi statici, chiuse le altre, che d'altronde, a causa dell'ondivago andamento dei lavori, non sarebbero risultate simmetriche se viste dall'interno. Infatti la realizzazione dell'esterno dell'edificio non rispecchia il ritmo delle campate all'interno; è questo uno dei motivi che portò infine alla rimozione di Talenti, richiamato più tardi per dedicarsi esclusivamente al ballatoio.

Le finestre superiori della navata centrale sono invece occhi circolari, una caratteristica dettata dalla volontà di evitare di alzare troppo la navata maggiore e assicurare comunque una buona illuminazione. Le aperture circolari, inoltre, erano meno problematiche dal punto di vista strutturale. Le necessità statiche resero indispensabile il ricorso ad archi rampanti per scaricare parte del peso delle volte della navata centrale nei muri esterni; tali espedienti, già previsti forse da Arnolfo (si ritrovano ben in vista nel dipinto di Andrea da Bonaiuto), non dovevano proprio andar giù ai fiorentini, che alla fine decisero di occultarli rialzando le pareti laterali con un attico a rettangoli di pietra verde appena riquadrati di bianco; la soluzione univa la volontà di imitare l'attico del Battistero alla coloritura scura che rendeva meno evidente l'espediente. Tale attico è generalmente (ed erroneamente) indicato come la prova del fatto che i muri esterni furono cominciati secondo un progetto arnolfiano e poi furono rialzati dal Talenti. La prova definitiva della falsità di questo assunto è stata data dalla scoperta che le fitte lesene che caratterizzano il muro delle navate laterali a partire da ovest erano inizialmente previste anche per la navata maggiore (sono ancora visibili nei sottotetti) che sappiamo progettata e in parte eretta dal Talenti.

La semplificazione della decorazione dei muri esterni venne decisa non tanto per motivi stilistici o di gusto quanto per contenere le spese (bisognerà tenere a mente che il rivestimento marmoreo del Campanile di Giotto alla fine era costato quasi due milioni di fiorini, una cifra senza precedenti. Infine, venne innalzato il tamburo ottagonale con le stesse grandi finestre circolari. Nel 1421 la basilica era terminata e restava solo da costruire la cupola.