Se le origini del primo oratorio francescano restano vaghe, è ben documentata la costruzione della nuova Basilica di Santa Croce, che prende ufficialmente il via il 3 maggio 1294, quando l'architetto Arnolfo di Cambio pone la prima pietra realizzando uno dei capolavori del gotico italiano. Grandiosità spaziale, chiarezza razionale e sobrietà degli elementi strutturali sono i cardini del suo progetto.

La pianta è a croce egizia (a forma di T), con un interno a tre navate (lunghe metri 114,45), un coro e un transetto fitto di cappelle il cui patronato è riservato alle famiglie più illustri del quartiere: Bardi e Peruzzi fra i primi, ma anche Tosinghi, Pulci, Rinuccini, Alberti... Le pareti di queste cappelle e dell'intera chiesa verranno subito coperte di affreschi, tutti opera di Giotto o dei suoi allievi, facendo della basilica un museo della pittura fiorentina del Trecento. Gli stessi artisti disegneranno anche le bellissime e luminose vetrate.
Nel 1442 la chiesa, finalmente terminata, viene consacrata da papa Eugenio IV. Resta senza decorazione la facciata, che sarà completata solo nel 1857-63, circa negli stessi anni in cui si ricostruirà l'originario Campanile abbattuto da un fulmine.
Nuovi inserimenti architettonici arrivano grazie al mecenatismo di Cosimo "il Vecchio" de' Medici e di Andrea de' Pazzi. Al primo si deve la Cappella del Noviziato, accanto alla sacrestia, costruita nel 1434-45 da Michelozzo e decorata da Andrea della Robbia e Mino da Fiesole; al secondo la Cappella Pazzi, nel primo chiostro, o Chiostro dei Morti, progettata da Filippo Brunelleschi e iniziata intorno al 1430.

Al disegno del Brunelleschi si deve anche il secondo chiostro del Convento, o Chiostro Grande, realizzato dopo la sua morte da Bernardo Rossellino (circa 1453) con portale di accesso (circa 1450) di Benedetto da Maiano.
Più tarda, e anomala in questo contesto sostanzialmente gotico, la Cappella Niccolini (situata nel transetto sinistro), realizzata verso il 1570 dall'architetto Giovanni Antonio Dosio. Circa negli stessi anni (1566-1584) Giorgio Vasari "riammodernava" la basilica per volere del granduca Cosimo I de' Medici. Si costruivano così i grandi altari che vediamo addossati alle navate laterali, tutti arricchiti da dipinti devozionali realizzati dai migliori pittori fiorentini dell'epoca.

Numerose nella Basilica anche le sculture, vero campionario rinascimentale. Fra le più celebri ricordiamo il Crocifisso di Donatello (1425, Cappella Bardi nel transetto sinistro) e la sua aristocratica Annunciazione in pietra serena lumeggiata d'oro (1430-35), appena restaurata dall' Opificio delle Pietre Dure. E ancora il pulpito di Benedetto da Maiano (1472-80) e la Madonna del Latte di Antonio Rossellino (1478) collocata sopra la tomba di Francesco Nori, morto per salvare la vita di Lorenzo il Magnifico durante la "congiura dei Pazzi" . Infine i due monumenti funebri di Bernardo Rossellino (1444-51) e Desiderio da Settignano (1455-64). Il primo, dedicato a Leonardo Bruni (1369-1444), umanista e Cancelliere della Repubblica, è considerato il prototipo della tomba rinascimentale.
La presenza di monumenti funebri e lastre tombali (sul pavimento se ne contano ancora 276) ha fatto sì che la Basilica fosse considerata il Pantheon cittadino, luogo di sepoltura dei fiorentini più illustri. Qui dovrebbero trovarsi le tombe di Taddeo Gaddi e del conte Ugolino della Gherardesca. Qui giacciono fra gli altri Michelangelo (tomba del Vasari, 1570), Galileo Galilei (tomba del Foggini, 1737), Vittorio Alfieri (tomba del Canova, 1810). E' solo un cenotafio il monumento a Dante Alighieri (S.Ricci, 1829), le cui spoglie sono a Ravenna. La chiesa e le sue Urne dei Forti furono cantate dal poeta Ugo Foscolo nei "Sepolcri".
Altre tombe si trovano nel primo chiostro: sotto il loggiato contiguo alla chiesa (le più antiche) e in un corridoio sotterraneo. Queste ultime costituiscono un vero campionario di scultura neoclassica e romantica. Al chiostro si può accedere direttamente dalla piazza, e da qui entrare nel Museo.