Arnolfo di Cambio (1240-1302) torna a Firenze nel 1294: dopo gli anni della formazione nella taglia di Nicola Pisano, a Siena e a Bologna, la sua attività si era poi svolta a Roma, Perugia, Napoli e Orvieto e forse anche ad Assisi, dove condivise con Giotto quell'intuizione di una spazialità definita dal volume stesso delle architetture e dei corpi.

A Firenze, dove nel campo dell'architettura "niuna cosa d'importanza senza il suo consiglio si deliberava" (come riferisce il Vasari), Arnolfo ricoprì un ruolo centrale nel rinnovamento della città. Nascono da suoi progetti la chiesa di Badia (poi interamente rifatta), Il Palazzo Vecchio, la chiesa di Santa Croce e la cattedrale di Santa Maria del Fiore. Quest'ultima fu fondata nel 1296 in sostituzione del vecchio duomo di Santa Separata ormai giudicato, come riferiscono le fonti, "troppo grossa di forme e piccola a comparazione di siffatta cittade".

Del progetto di Arnolfo, mutato durante i lavori alla cui direzione si avvicenderanno nel corso dei decenni Giotto e Andrea Pisano, Francesco Talenti e Brunelleschi, resta oggi lo schema planimetrico (combinazione dei sistemi a pianta centrale e longitudinale) insieme ad alcune sculture realizzate dall'artista per la facciata.

Questa, condotta fino al secondo ordine, come si ricava da un disegno cinquecentesco eseguito prima della sua distruzione, si articolava in protiri, portali e lunette, aveva le superfici rivestite di mosaici alla maniera cosmatesca e riprendeva con la dicromia dei marmi la lezione romanica del vicino battistero. Le statue che stavano dentro le nicchie, come la madonna in trono (oggi al Museo dell'opera), furono modellate da Arnolfo in forme sintetiche e serrate nelle caratteristiche pieghe saettanti delle vesti. I semplici e chiari volumi di questi marmi, cui si accompagna anche una sapiente ricerca di effetti pittorici, li rendono una sorta di parallelo in scultura della pittura di Giotto.

In particolare il Giotto che proprio in quegli anni, tornato da Assisi, "scolpiva" con i pennelli la forte e salda Madonna con Bambino per la chiesa di San Giorgio alla costa e il crocifisso, carico di dolorosa mestizia interiore, per la chiesa domenicana di Santa Maria Novella.

Insieme alle cattedrali sorgevano numerose anche le chiese conventuali: dopo quella di Santa Trinità (1258-1280) dei vallombrosiani, dove secondo alcuni si può riconoscere l'opera di Nicola Pisano, e dopo Santa Maria Novella dei domenicani (1278), di carattere schiettamente gotico per le forme ogivali e i pilastri polistilli, la chiesa francescana di Santa Croce, iniziata nel 1295 e compiuta nel corso del trecento, si valse di un progetto di Arnolfo. L'interno, di una serenità tutta classica, si sviluppa per volumi liberi e spaziosi (in proporzioni uguali a quelle della vecchia basilica di San Pietro) e sulle ampie pareti delle cappelle Giotto e i suoi migliori seguaci lasceranno affreschi capitali per la storia della pittura del trecento.

L'attività di progettazione di Arnolfo interessò anche l'edilizia civile e forse più di quanto non ci sia stato tramandato: splendido esempio ne è Palazzo Vecchio, fondato il 30 dicembre 1298. Qui Arnolfo, aprendo l'edificio su due ali, inaugura la tipologia della torre-palazzo di contro a quella della torre-casa fino ad allora adottata e conferisce straordinaria eleganza alla costruzione attraverso il bugnato dei muri e le slanciate finestre a bifore.