Le sue fondamenta furono scavate attorno al 1298 all'inizio del cantiere della nuova cattedrale, quando capomastro era Arnolfo di Cambio. La posizione inusuale del campanile, allineato con la facciata, riflette la volontà di conferirgli una grande importanza come segno di forte verticalità al centro della Insula Episcopalis, oltre probabilmente alla necessità pratica di liberare la visuale della zona absidale per la grande cupola, prevista sin dal progetto arnolfiano.

Nel 1334 Giotto di Bondone subentrò nell'incarico di capomastro Vasari “Vita di Giotto: «Dopo queste cose mise mano, l'anno 1334 a dì 9 di luglio, al campanile di S. Maria del Fiore» occupandosi subito della costruzione del primo piano del campanile e disinteressandosi - secondo quanto sostiene una leggenda - del cantiere della basilica. Giotto fornì un progetto originale del campanile, con una terminazione a cuspide piramidale alta 50 braccia fiorentine (circa 30 metri), secondo cui l'elevazione totale sarebbe dovuta essere di 110-115 metri circa.

Giotto rimase a capo del cantiere fino alla sua morte, nel 1337. Giorgio Vasari menziona il pittore Taddeo Gaddi come suo immediato successore, che alcuni ritengono abbia diretto l'ispessimento delle mura all'interno del primo ripiano; tuttavia nei documenti dell'Opera del Duomo l'unico successore documentato è Andrea Pisano, che già aveva collaborato all'arredo decorativo del campanile.

Andrea Pisano proseguì i lavori, modificando il disegno all'esterno con l'aggiunta di due lesene per faccia, nell'intento di rimediare alla diminuzione di spessore dovuta alla risega. Tra le lesene avrebbe dovuto probabilmente aprirsi una monofora (come si vede nel disegno dell'Opera del Duomo di Siena), per dare luce alla sala di rappresentanza al primo piano.

Il campanile, dopo l'interruzione dei lavori dovuti alla Peste nera, fu terminato nel 1359 da Francesco Talenti, che poté portare più agevolmente a termine l'opera non avendo più da risolvere complessi problemi di statica, risolti bene o male dal suo predecessore. Francesco però diede prova di grande abilità, organizzando la costruzione come quattro massicci pilastri angolari collegati da diaframmi murari relativamente sottili in cui si aprono le grandi finestre.

Salita a piedi di 414 scalini. La salita è sconsigliata alle persone sofferenti di cuore, vertigini e claustrofobia.