L'elemento centrale della piazza è il trecentesco Palazzo Vecchio, uno dei più importanti monumenti architettonici civili di Firenze. La prima pietra venne posta nel 1299 su progetto di Arnolfo di Cambio che negli ultimi anni del XIII secolo è impegnato nei più importanti cantieri fiorentini: il Duomo, Santa Croce e la nuova cerchia di mura.

Già nel 1314 i capi delle corporazioni, i Priori,e i Gonfalonieri della Giustizia potevano prendere sede qui come gli organismi di governo della città.

I diversi nomi del Palazzo, che venne chiamato secondo i periodi, Palazzo del Popolo, Palazzo della Signoria, Palazzo dei Priori o anche Palazzo Ducale, riflettono naturalmente la storia delle mutevoli funzioni svolte dall’edificio nel corso dei secoli.

La tipologia dell'edificio reinterpreta con originalità i caratteri delle strutture fortificate medievali e costituisce un modello per i palazzi pubblici toscani costruiti successivamente.

In particolare la Torre di Arnolfo, alta 95 metri, presenta un'ardita soluzione architettonica essendo allineata con il ballatoio sporgente, anziché posta in posizione più centrale. Originariamente il Palazzo doveva presentarsi come un volume a sé, mentre gli ampliamenti successivi si sono addossati alla facciata tergale colmando l'intero isolato fino a via dei Leoni. Al tempo della Repubblica savonaroliana, infatti, l'allargamento del Consiglio del Popolo a cinquecento membri, determinò la costruzione del Salone dei Cinquecento sopra il Cortile della Dogana (1495). La saldatura tra i diversi corpi di fabbrica è leggibile sul lato di via de' Gondi, dove il Salone si riconosce per il paramento esterno incompiuto e i grandi finestroni del Cronaca.

I lavori più consistenti ebbero inizio nel 1540, quando il Granduca Cosimo I de' Medici decise di trasferire la residenza della famiglia ducale dal Palazzo Medici di via Larga a quello che era stato il Palazzo Pubblico incaricando il Vasari di allargare ulteriormente il palazzo per assecondare le necessità della corte ducale.

Il nome venne cambiato ufficialmente quando Cosimo si spostò a Palazzo Pitti nel 1565 e chiamò la precedente residenza Palazzo Vecchio mentre la piazza della Signoria mantenne il proprio nome. Vasari inoltre costruì un percorso, il Corridoio Vasariano, che collega ancor'oggi Palazzo Vecchio a Palazzo Pitti attraversando l'Arno sul Ponte Vecchio.

Il palazzo guadagnò nuova importanza quando fu sede del governo nel periodo 1865-71, quando Firenze divenne capitale del Regno d'Italia.

Anche se oggi la gran parte di Palazzo Vecchio è adesso un Museo, è ancor'oggi simbolo del governo locale, essendo infatti tutt'ora sede del Comune di Firenze e del consiglio comunale.

La visita inizia nel Cortile di Michelozzo, ornato da stucchi e affreschi, e prosegue, al piano superiore, con il Salone dei Cinquecento, dove un maestoso ciclo di pitture celebra l’apoteosi di Cosimo de’ Medici e della città di Firenze e un ricco apparato di statue accompagna il rinomato Genio della Vittoria di Michelangelo.

Al secondo piano del museo si trovano gli ambienti privati della corte medicea, tutti sontuosamente decorati e arredati, e fra questi, la mirabile Cappella di Eleonora con pitture di Agnolo Bronzino.

Testimonianze importanti della decorazione più antica del Palazzo si conservano nella Sala dell’Udienza e nella Sala dei Gigli, dove si trova anche l’originale della Giuditta di Donatello. Nella Sala delle Carte Geografiche un globo terrestre di dimensioni eccezionali e più di cinquanta pannelli dipinti offrono una straordinaria visione di tutte le parti del mondo conosciute nel XVI secolo. Il Quartiere del Mezzanino ospita una pregevole collezione di dipinti e sculture di epoca medievale e rinascimentale donata al Comune di Firenze da Charles Loeser.