Il palazzo è stato costruito da Arnolfo di cambio. Nel 1540 divenne palazzo ducale, quando il duca Cosimo I de Medici ne fece la sua residenza e incaricò il Vasari di ampliare il palazzo. Quando Cosimo si spostò a palazzo Pitti, la residenza prese il nome di palazzo Vecchio. Dal 1865 al 1871 fu sede del Parlamento del Regno d'Italia, mentre oggi ospita il municipio di Firenze e vari uffici comunali. Vi si trova inoltre un museo, che permette di visitare le magnifiche sale dove lavorarono, fra gli altri, Agnolo Bronzino, il Ghirlandaio, Giorgio Vasari e dove sono esposte opere di Michelangelo Buonarroti, Donatello e il Verrocchio.

L'edificio è stato gradualmente ampliato verso est, arrivando ad occupare un isolato intero e allungando l'iniziale parallelepipedo trecentesco fino a quadruplicarne le dimensioni, con una pianta che ricorda un trapezio del quale la facciata è solo il lato più corto. Sulla facciata principale a bugnato, si trova la Torre di Arnolfo, uno degli emblemi della città.