Das heutige Museum wurde im Jahre 1891 gegründet, und seit damals kamen und kommen regelmäßig all jene Werke hinzu, die in der Vergangenheit abgenommen wurden und auch heute weiterhin aus dem Dom S. Maria del Fiore und der Taufkirche, dem Baptisterium entfernt werden (in der modernen Zeit aus Gründen der Bewahrung vor Umwelteinflüssen). Die Sammlung bildete sich mit der Zeit zum greifbarsten Zeugnis der florentinischen Tradition der Plastik heraus, die im Zuge der verschiedenen Phasen der Errichtung des Doms durch jahrhundertelange Weiterentwicklung auf dem Bau entstand. Einen Großteil der Skulpturen, die heute in dem Museum ausgestellt sind, bilden jene von Arnolfo, der sie für die Fassade ausgeführt hatte, die zu seinen Lebzeiten zur Hälfte fertiggestellt war. Diese halbfertige Fassade bestand bis zum Jahre 1587, als sie der Großherzog auf Anraten des Architekten Bernardo Buontalenti im Rahmen eine Programms der Stadterneuerung abnehmen ließ, um sie durch ein moderneres Projekt zu ersetzen. Trotz zahlreicher Entwürfe und Wettbewerbe unter den berühmten Architekten unterschiedlicher Epochen wurde die Fassade erst 1887 durch De Fabris abgeschlossen, der ihr ein Aussehen verlieh, das sehr weit von jenem Arnolfos entfernt war und somit die Wiedereinfügung der ursprünglichen Skulpturen unmöglich machte, die deswegen bis heute in dem Museum aufbewahrt werden.

Neben dieser grundlegenden Gruppe von Arnolfo besitzt das Museum Skulpturen aus dem 14. Jh, die aus dem von Andrea Pisano (ca. 1290 &endash; ca. 1349) und dessen Schülern ausgeführten Glockenturm stammen, und jene von dem Tor "della Mandorla" (die Mandel), das sich auf der linken Seite der Kathedrale befindet.

Die Skulpturen, die Nanni di Banco (1380/90-1421) und Donatello (1386-1466) für den Glockenturm und die Kathedrale schufen, können als Eckpfeiler der Bildhauerkunst des 15. Jh angesehen werden, wie auch die großen Cantorie (Chöre) von Luca della Robbia (ca. 1400 endash; 1482) und von Donatello, die vom Innenraum des Doms hierher verlegt wurden. Weitere bedeutende Werke, die in neuerer Zeit um verlegt wurden, sind etwa die Maddalena, eine Holzfigur von Donatello, die sich einst im Baptisterium befand, und Michelangelos Pietà, die im Jahre 1980 aus dem Dom entfernt wurde.

Zu der Sammlung gehören auch noch weitere Skulpturen des 16. und 17. Jh der toskanischen Schule, welche von dem Interesse für die Fertigstellung von Santa Maria del Fiore zeugen, das auch über jene Jahrhunderte fortbestand.

In einem abgetrennten Saal wird überdies eine Reihe von Arbeitswerkzeugen und -materialien ausgestellt, die im Laufe der Restaurationsarbeiten am Dom und der Domkuppel aufgefunden wurden. Diese belegen mit außerordentlich evokativer Wirkung die großen Anstrengungen und die fachliche Geschicklichkeit der Handwerkerschaft zur Zeit der Bauarbeiten unter Brunelleschi.