Florenz wurde nach 59 v.Chr. von Julius Cäsar als Colonia mit dem Namen Florentia (nach der röm. Göttin der Blumen und des Pflanzenwachstums) im fruchtbaren, aber noch teilweise sumpfigen Arnotal errichtet. Die Colonia bestand erstens aus einem Militärlager, dem Castrum, dessen quadratische Anlage sich auch heute noch im Straßenverlauf widerspiegelt (Via Tornabuoni, Via Cerretani, Via del Proconsolo und Piazza della Signoria). Das Forum befand sich am heutigen Platz der Republik. Florentia verfügte auch über Thermalbäder und ein Amphitheater. Zur Colonia gehörten auch die Ansiedlungen der Veteranen der Garnison außerhalb des Castrum, die gemäß der Lex Julia nach der Entlassung aus dem Militärdienst eine Landparzelle zur Bebauung zugewiesen erhielten, die aufgrund der Vergabepraxis in Form einer Verlosung partes genannt wurde.

Die verkehrstechnisch günstige Lage am Kreuzungspunkt der nach Rom führenden Via Cassia, der von Volterra kommenden Etruskerstraße (Volterana) und der ebenfalls etruskischen Pisana, die über Pisa ans Meer führte, begünstigte das rasche Aufblühen der Stadt auf Basis von Handel und Handwerksbetrieben. Die älteren etruskischen Ansiedlungen, vor allem das auf einem Hügel nördliche der neuen Stadt gelegene bedeutende Fiesole (Gründung 7.Jahrhundert vor Christus) gerieten dadurch rasch ins Hintertreffen. Nachdem man neben Fiesole auch den Etruskerstädten Volterra und Chiusi sowie den römischen Coloniae Pistoia und Lucca den Rang abgelaufen hatte, ernannte Kaiser Diokletian Florenz zur Hauptstadt der Siebenten Region (Toskana und Umbrien).

Im Zuge der byzantinischen Rückeroberungskriege wurde die Stadt fast vollständig zerstört und nahm erst wieder unter den Langobarden einen Aufschwung. Da die Langobardenherzöge jedoch in Lucca bzw. Pisa residierten, konnte Florenz bis ins 12. Jahrhundert nicht an die Bedeutung vor der Völkerwanderungszeit anschließen. Entscheidend für den Wiederaufstieg wurde die um 1000 erfolgte Verlegung des Amtssitzes des von den Karolinger eingesetzten Markgrafen Hugo nach Florenz. Mit dem Aufkommen des Feudalismus expandierte die Stadt im 12. Jahrhundert und wurde autonom. Die Bürger gewannen an Macht, und es kam zu erbitterten Streitereien zwischen den kaisertreuen Ghibellinen und den später siegreichen Anhängern des Papstes, den Guelfen.

Im 14. und 15. Jahrhundert blühte die Stadt auf und setzte die Maßstäbe in der europäischen Kunst und Kultur. Viele Künstler und Gelehrte siedelten sich an (z.B. Donatello, Botticelli; später Michelangelo, Machiavelli, Leonardo da Vinci, Galileo Galilei). Es entwickelte sich die kulturgeschichtliche Epoche der Renaissance.Florenz wurde gleichzeitig Handels- und Finanzzentrum. Die reiche Familie der Medici stieg im 15./16. Jahrhundert zu einer Großmacht auf. Sie förderten weiterhin die Künste und Wissenschaft und regierten die Stadt. Doch die kulturelle Bedeutung von Florenz schwand im 17. Jahrhundert. Die Medici, die lange die Stadt geprägt hatten, starben aus und als Franz I. Stephan, der Ehemann von Maria Theresia deren Nachfolger wurde, wurde Florenz Besitz der Habsburger.

Erst im 19. Jahrhundert beginnt ein neuer wirtschaftlicher Aufschwung. Florenz wird das Ziel von Bildungsreisen, den Grands Tours, und Teil Österreichs. 1859 verloren die Österreicher aber gegen Frankreich und das Königreich von Sardinien-Piemont, Florenz wurde 1861 Teil des Vereinigten Italiens. Die Stadt folgte Turin 1865 als italienische Hauptstadt nach und beherbergte so das erste Parlament des neuen Staates, verlor die Würde aber bereits 1871 an Rom.

Nachdem die Stadtbevölkerung sich im 19. Jahrhundert verdoppelt hatte, verdreifachte sie sich im 20. Jahrhundert und profitierte stark von den neuen Wirtschaftszweigen des Tourismus und der Industrie, während Fernhandel und Finanzwirtschaft wieder aufblühten. Im Zweiten Weltkrieg war die Stadt von 1943 bis 1944 von den deutschen Truppen besetzt. Die Arno-Flut vom November 1966, die viele Kunstschätze beschädigte, sorgte für einen Skandal, da die zuständigen Autoritäten bereits im Vorfeld von der möglichen Flut wussten, bis auf die Juwelenhändler auf dem Ponte Vecchio aber niemanden warnten.