Da un documento del 983 sappiamo che l'antica chiesa di Santa Maria Novella fu riconfermata in concessione ai canonici della cattedrale fiorentina dall'imperatore Ottone II.
La città del X secolo era, in confronto a oggi, notevolmente ridotta e la piccola chiesa sorgeva fuori dalle mura. I documenti dell'epoca la citano talvolta col nome di Santa Maria tra le Vigne, a testimoniare la ripresa della coltivazione delle terre circostanti la città, un tempo abbandonate e quindi recuperate e considerate novelle, da cui forse la chiesa ha preso il suo nome.
Nel 1094 fu consacrata una nuova chiesa di Santa Maria Novella, vicina ma staccata dalla precedente e più grande, con l'accesso a est verso l'attuale piazza dell'Unità Italiana, e situata nella zona della sacrestia e in parte della chiesa vecchia.
Col passare del tempo anche Firenze, come le altre città europee, cominciò ad attirare a sé un flusso sempre maggiore di popolazione e mentre in città le singole famiglie della nobiltà terriera si scontravano per il controllo del potere o per il dominio dei territori, i nuovi arrivati si aggregavano fuori dalle mura in borghi. Quando tuttavia nel 1170 si decise di ampliare le mura cittadine, la chiesa continuò a restarvi fuori, sebbene mano a mano crescesse un borgo fitto di case intorno a essa.
Col passare degli anni le tensioni socio-politiche tra le varie componenti del tessuto sociale crebbero fino a diventare insanabili: la classe dominante infatti tendeva a cercare di mantenere il sistema vigente per garantirsi la propria permanenza al potere, la classe emergente (principalmente mercanti e imprenditori) cercavano invece di affrancarsi dai vincoli feudali e di rendersi autonoma sconfiggendo la classe dominante, la popolazione cittadina infine era costituita da una massa di lavoratori, imprescindibile per il processo produttivo, ma pressoché completamente emarginata dalla vita cittadina e quasi ridotta alla fame.
In questo clima colmo di attriti anche il modello religioso del passato era in declino e non rispondeva più alle mutate esigenze dei tempi. Movimenti pauperistici si contrapponevano alla chiesa, identificata con la ricca curia romana e pensata corrotta e lontana dal originario spirito ed apostolico. Quanto mai tempestive e provvidenziali si rivelarono dunque le risposte di San Domenico e di San Francesco, che grazie al loro operato e alla loro santità seppero garantire il successo della riproposizione del messaggio evangelico e riconfermare l'apostolicità dell'ideale cristiano alla società del loro tempo.
E infatti proprio la situazione religiosa della città, in particolare la forte e radicatapresenza dell'eresia catara, fu uno delle ragioni dell'invio a Firenze nel 1219 di una delegazione di 12 frati domenicani guidati dal Beato Giovanni da Salerno, che giunse da Bologna per volere dello stesso San Domenico e che nel 1221, grazie all'appoggio pontificio, prese possesso dell'antico edificio di Santa Maria Novella.
Sin dall'inizio sia la chiesa che i locali destinati all'abitazione si rivelarono inadeguati alle necessità di una comunità in continua espansione, poiché ai primi 12 frati bolognesi se ne aggiunsero presto altri, affascinati dall'ideale apostolico che San Domenico aveva dato al suo ordine.
Quando poi nel 1244 un noto oratore domenicano, San Pietro da Verona (San Pietro Martire) venne a predicare a Firenze, la chiesa non fu più in grado di accogliere i fedeli che accorrevano ad ascoltarlo. Anche la piazza antistante, come suddetto l'odierna piazza dell'Unità Italiana, ma nota fino al 1882 come piazza Vecchia di Santa Maria Novella, risultò angusta e fu necessario ampliarla a dimensioni più adeguate, gettando così le basi di quello che era destinato a diventare uno dei maggiori insediamenti religiosi, polo d'attrazione e punto di riferimento della città.
Già dal 1242 gli antichi cronisti dell'ordine domenicano fanno risalire la decisione di attivarsi per avere una chiesa più capiente e nel 1246 fu ottenuta dal papa un'indulgenza per chi avesse contribuito ai lavori che furono intrapresi a tale scopo grazie, soprattutto, all'impegno di fra Aldobrandino Cavalcanti. Non si può dire con certezza se si trattasse di un nuovo edificio, più grande e autonomo da quello vecchio, ma ancora con l' ingresso rivolto alla piazza Vecchia di Santa Maria Novella, oppure del transetto di quello vecchio del quale preludeva le grandiose dimensioni .
Di fatto, il 18 ottobre del 1279 il cardinale domenicano Latino Malabranca, fondò e benedisse la prima pietra della chiesa di Santa Maria Novella dei frati predicatori e nel 1284 la chiesa fu inclusa nella nuova cerchia muraria, nuovamente ampliata data la straordinaria crescita della città.
Tre anni dopo la posa della prima pietra, grazie ai copiosi finanziamenti ottenuti sia tramite le indulgenze, che grazie agli interventi del comune di Firenze, nonché con il determinante contributo delle ricche famiglie fiorentine (le cui tombe e i cui stemmi si trovavano infatti un po' dappertutto), ricominciarono i lavori di costruzione della nuova chiesa.
Non è possibile stabilire l'esatta cronologia delle fasi di costruzione dell'edificio ma nel 1287 quando, per decreto della Repubblica fiorentina fu ordinata la realizzazione della piazza che fu poi consegnata ai domenicani per decoro e per ornamento della nuova chiesa, essa doveva essere a buon punto, poiché nei relativi documenti si fa riferimento alla facciata .
È quasi certo che con il compimento della facciata si conclusero la maggior parte dei lavori di costruzione della chiesa, eccetto forse la sacrestia che risale al 1380.
Una volta terminata, all'interno della chiesa si potevano distinguere due parti: una, nell'area delle prime quattro campate, dedicata ai fedeli e in particolare alle grandi prediche e l'altra, nella parte superiore, con il coro dei frati, che comprendeva le due ultime arcate delle navate e la crociera. La netta divisione tra le due parti era data da un alto tramezzo o ponte che, trovandosi poco sopra gli scalini ancora oggi esistenti all'altezza della della quarta coppia di pilastri, attraversava le tre navate.
Tuttavia la chiesa fu consacrata soltanto nel 1420 da papa Martino V.
Successivamente, su commissione di fra' Paolo Rucellai e a spese della sua famiglia, fu ordinato il rivestimento marmoreo della facciata, che fu operato da Leon Battista Alberti e ultimato nel 1470. Dunque, a eccezione della cappella della Pura, costruita tra il 1472 e il 1479, ed il rivestimento marmoreo della cappella Gondi, ad opera di Giuliano Sangallo nel 1508, la costruzione della chiesa si esaurì con il completamento della facciata.
A partire dal 1565 la chiesa fu radicalmente restaurata ad opera di Giorgio Vasari, il quale le conferì quell'aspetto con cui ci è più o meno nota oggi, ovvero con quell'assetto che esalta la prospettiva delle navate e concentra l'attenzione di chi entrava dalle porte della facciata su di un unico punto di fuga, focalizzando sull'altare maggiore, per rispettare le nuove norme architettoniche stabilite dal Concilio di Trento per gli edifici liturgici. Così, il tramezzo (o ponte), che divideva la parte della chiesa riservata ai frati da quella dedicata ai fedeli, fu abbattuto e la porta laterale su via degli Avelli fu murata. Per sottolineare l'eliminazione della distinzione dello spazio della chiesa in due parti, la disposizione della cappelle, che all'epoca erano anche addossate alla controfacciata e alla base del tramezzo, venne razionalizzata, in modo da rendere tutto il perimetro immediatamente dominabile nel suo insieme fino all'altare maggiore. Questo invece, previo l'abbattimento del coro dei frati, al cui posto furono sistemate le panche per i fedeli, fu spostato in avanti. Anche gli altari furono tutti rifatti, mentre la Trinità di Masaccio fu nascosta dietro a quello della Madonna del Rosario, opera dello stesso Vasari (oggi visibile nella cappella Bardi di Vernio)..
L'imposizione di un unico architetto per la complessa ristrutturazione messa in atto, volta a esaltare la sovranità della chiesa e dei poteri della gerarchia, sottintese il patronato su tutto l'edificio di Cosimo I, che aveva voluto e in gran parte finanziato tale intervento. Tutti, dunque, dovettero subire il progetto del Vasari e dunque la volontà del granduca. Perciò i proprietari delle singole cappelle abbattute che non accettarono il disegno granducale persero i loro diritti, così come caddero le singole volontà dei numerosi padroni delle vecchie cappelle, che da lì in poi non avrebbero più potuto agire e decidere con la stessa libertà di cui avevano goduto in passato.
In seguito, eccettuati l'arredo della cappella Gaddi, compiuto dal Dosio tra il 1575 e il 1578, e la realizzazione della facciata della sacrestia dei primi decenni del XVII secolo, non vennero più effettuati sostanziali cambiamenti fino alla metà del 1800. In questa nuova ristrutturazione avvenuta tra il 1858 e il 1860, nel vano tentativo di restituire a Santa Maria Novella il suo aspetto originale, gli altari del Vasari furono sostituiti da altri di gusto neo-gotico, si procedette al rifacimento delle finestre secondo le forme gotiche, si realizzò l'impiantito attuale, sostituendo quello di cotto disseminato di tombe, che furono invece allineate tra i pilastri lungo le navate, e infine fu costruito l'altare maggiore attuale, progettato dal Romoli.
Il risultato è quanto rimane oggi di Santa Maria Novella.
È anche importante ricordare che in seguito alle leggi di soppressione degli ordini religiosi del 1866 il complesso di Santa Maria Novella fu devoluto al Demanio dello Stato, per usi di pubblica utilità e in seguito dato in concessione al Comune, purché lo utilizzasse agli stessi scopi. Nel 1868, attraverso la stipulazione di una convenzione tra il Comune e il rettore domenicano di Santa Maria Novella, la chiesa e i suoi arredi furono riconsegnati ai domenicani, che a partire dal 1878 vi si ristabilirono e ove i loro successori vivono ancora.