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Destinée à la prédication, elle est vaste (140 m sur 40), de plan sobre en tau (un long rectangle divisé en trois nefs que prolonge le maître-autel flanqué de petites chapelles axiales et d'un court transept), recouverte d'une charpente peinte. Commencée en 1294 par Arnolfo di Cambio, consacrée en 1442, sa façade néogothique ne date que de 1857 et le campanile actuel de 1867. La chaire de la nef (1476), illustrant la vie de saint François, est de Maiano. Le bas-côté droit est le plus riche en tombeaux et oeuvres d'art : se succèdent une Vierge allaitant (1478) par Rosselino, le tombeau de Michel-Ange (orné de trois allégories de la sculpture, la peinture et de l'architecture, par Vasari, 1570), le cénotaphe de Dante (enterré à Ravenne), la tombe du dramaturge Alfieri par Canova (1810), le tombeau de Machiavel, une Annonciation de Donatello (1430) en calcaire rehaussé d'or, enfin la tombe de l'humaniste Leonardo Bruni. De l'autre côté, tombeau de Gallilée, Pietà du Bronzino, pierre tombale de Ghibertii. Dans le transept droit, fresques de la vie de la Vierge par Gaddi dans la chapelle Baroncelli. Parmi les chapelles axiales, celle à droite de l'autel est recouverte de fresques de Giotto consacrées à... saint François.Dans le choeur, fresque de la Légende de la Sainte-Croix par A. Gaddi. La chapelle Bardi du transept gauche renferme le Crucifix en bois de Donatello , très réaliste, auquel répliqua Brunelleschi à Santa Maria Novella. La sacristie (14^e s.) abrite une belle Résurrection de T. Gaddi.