Die Überreste von „Santa Reparata", der antiken Kathedrale von Florenz, die diesen Namen bis 1412 beibehielt, dem Jahr, in dem sie in „S. Maria del Fiore" umbenannt wurde, liefern einen wichtigen Beitrag zur Kenntnis über die Kunst, Geschichte und Topographie der Stadt. Die ältesten Reste befinden sich in einer Tiefe, die vermutlich geringfügig oberhalb der römischen Stadtanlage liegt, beziehungsweise auf dem gleichen Grundniveau wie das Baptisterium.

Die Ausgrabungen im Innern des Doms, die 1965 begonnen wurden, mit dem Ziel, soviel wie möglich des Grundrisses der älteren Kirche freizulegen, brachten ein Flechtwerk von Strukturen ans Licht, die komplexer sind als angenommen, und die das Vorhandensein zweier weiterer Kirchen belegt, die noch früher anzusiedeln sind als „S. Reparata".

Ein erster Bau erfolgte wohl etwa um das Jahr 780, und zu diesem ersten Kern der Kirche gehört eine wunderschöne Chorschranke (bemalte Brüstung); eine 2. Veränderung geht auf die Zeit der Romanik zurück; die 3. und letzte Veränderung erfolgte im 13. Jh., wobei der betreffende Boden nur 90 cm unterhalb des heutigen Kirchenbodens liegt. In diesem Stadium wurden zahlreiche Grabtafeln aus Buntsandstein aus dem 14. Jh. aufgefunden, die heute besichtigt werden können.

Ebenfalls zu betrachten sind die Mosaiken der ersten Pflasterung des Bodens aus dem 8. Jh., mit ihren vielfarbigen geometrischen Motiven. An den Wänden sind Fragmente der Fresken sichtbar, die in den unterschiedlichen Phasen des Baus ausgeführt wurden. Zu den bedeutendsten Entdeckungen zählt das Grab Brunelleschis von 1446, dem Todesjahr des Künstlers.