Nel corso del Trecento, lentamente, le pareti delle cappelle e dell'intera Basilica di Santa Croce si trasformano in un trionfo di pittura gotica come non si era mai visto (tranne che nella chiesa, anch'essa francescana, di Assisi). Qui si esprimono, in affreschi, polittici e vetrate il grande Cimbue (Cappella Velluti, con pochi resti di affreschi), l'ancor più grande Giotto (Cappelle Bardi e Peruzzi, nei decenni 1320-30 circa), e tutti i suoi allievi: Maso di Banco (Cappella Bardi di Vernio, circa 1340), Taddeo Gaddi (Cappella Baroncelli-Giugni, circa 1332-38, e Cappella Calderini-Riccardi, affreschi distrutti nel Seicento) e Bernardo Daddi (Cappella Pulci-Berardi, circa 1330). E ancora vi lavorano i giotteschi della "seconda generazione" come Giovanni da Milano (Cappella Rinuccini, circa 1363-66, all'interno della sacrestia), Agnolo Gaddi (Cappella Maggiore o degli Alberti, circa 1380, Cappella Castellani, circa 1385, e Cappella Bardi nel transetto sinistro, pitture oggi distrutte) e gli Orcagna: Andrea di Cione e i suoi fratelli copriranno infatti tutto l'interno con vari cicli di affreschi fra cui il bellissimo Trionfo della Morte (circa 1360) di cui si conservano solo frammenti nel Museo dell'Opera di Santa Croce.

Nel 1566-84, la Basilica deve infatti subire, come molte altre chiese cittadine, l'intervento di "ammodernamento" di Giorgio Vasari, che imbianca e distrugge gli affreschi delle navate addossando alle pareti una serie di pesanti altaroni classicheggianti: i frammenti del Trionfo della Morte (tema molto sentito dopo l'epidemia di peste del 1348) sono stati ritrovati di recente proprio sotto uno di questi altari.

Il Vasari abbatterà anche il "tramezzo" che nel Medioevo usava spesso dividere le navate (destinate al popolo) dal coro e dalla parte absidale (riservata al clero e ai Magnati della città). Al "tramezzo" si appoggiavano piccole cappelle e altri altari che furono trasferiti, ben ordinati, lungo le navate minori e ornati da grandi dipinti dei migliori pittori del secondo Cinquecento fiorentino: lo stesso Vasari, il Bronzino, Alessandro Allori, il Cigoli, l'Empoli, Santi di Tito... Anche l'altare maggiore subì le attenzioni del Vasari e fu sostituitto da una grande "macchina" di legno intagliato e dorato, arricchita da statue di santi e angeli e da un enorme ciborio. Il pesante congegno fu smontato nel 1869 ma alcune parti si possono vedere nella Cappella Bardi del transetto.

Dopo quelle del Vasari, la pittura gotica subì nuove ingiurie nei primi decenni del Settecento, quando altri affreschi furono distrutti, imbiancati, sostituiti. Non fu risparmiato neppure Giotto: di lui si è persa completamente la decorazione della Cappella Tosinghi-Spinelli, mentre gli affreschi delle Cappelle Bardi e Peruzzi, coperti dall'intonaco, sono stati riportati alla luce solo alla metà del secolo scorso.