In het onbebouwde gebied tussen de oude en de nieuwe stadsmuren, aan de oostzijde van de stad,  ontstond het klooster van de Franciscanen met de kerk van Santa Croce.
De eerste steen voor de kerk werd gelegd in 1294. Het was waarschijnlijk de  bouwmeester van de Florentijnse Dom, Arnolfo di Cambio (1265-1302), die het veel kleinere, nog tijdens het leven van de heilige Franciscus van Assisi gebouwde kerkje uit 1222, verving. Op stijlkenmerken heeft men deze kerk aan Di Cambio toegeschreven. Hij kreeg opdracht om de vijftig jaar eerder gebouwde Santa Maria Novellakerk van de concurrerende Dominicaner orde in grootte en schoonheid te overtreffen. De mening over de nieuwe kerk onder de Franciscaner broeders was erg verdeeld omdat een dergelijk geldverslindend project niet strookt met de armoederegel, en ook het willen overtreffen van de Dominicanen werd niet passend gevonden. De orde ontving veel giften van vooral rijke bankiers. Zij hadden er veel geld voor over om hun zielenheil te waarborgen en aanzien te kweken. Dat is ook de reden dat veel van deze kloosterkerken zoveel familiekapellen hebben. De concurrentiestrijd werd dus toch voorgezet, al werd de bouw regelmatig vertraagd.
Kort na de eeuwwisseling waren het koor en transept al voltooid, maar daarna ging de bouw uitermate langzaam. In 1324 en 1333 gaf  het stadsbestuur geld om met de bouw van de kerk door te kunnen gaan. Het duurde echter tot 1385 tot dat de gehele kerk voltooid werd. De consacratie van het kerkgebouw vond pas in 1442 plaats. De façade aan de Piazza Santa Croce moest toen nog vijf eeuwen wachten op zijn bekleding in wit en groen marmer. Pas in de jaren vijftig van de negentiende eeuw werd dit werk begonnen door architect Niccolò Matas. Na negen jaar, in 1863, was men ermee klaar. Vermoedelijk gebruikte men hiervoor een eeuwenoud ontwerp. Ook de campanile op de zuidoost hoek van de kerk dateert uit de negentiende eeuw en vervangt de in 1512 ingestorte veertiende eeuwse voorganger. Deze stond op de hoofdkoorkapel. In zijn val verwoestte de klokkentoren het monnikenkoor.

Architectuur 
De Santa Croce is een driebeukige basiliek met transepten en een driezijdig gesloten koor, dat smaller en lager is dan de middenbeuk. De tien zijkapellen -vijf aan elke zijde van het koor-  zijn alle recht gesloten. Koor en zijkapellen zijn in steen overwelfd. Onder het koor is een crypte, waarvan de oorspronkelijke functie niet zeker is, maar die sinds 1934 wordt gebruikt als herdenkingsplaats voor de gevallenen van de Fascistische Revolutie. Crypten komen verder niet voor in gotische Toscaanse kerken. Het is mogelijk dat de Franciscanen de crypte zagen als citaat van de benedenkerk, boven het graf van de heilige Franciscus, in Assisi.
Franciscus wilde, overeenkomstig zijn regel van armoede, eenvoudige kerken, waarmee werd terugverwezen naar de oorspronkelijke vroeg-christelijke kerk. Ook de Santa Croce is naar dit idee tot stand gekomen. De kerk is in plattegrond en qua maten een directe navolging van de oude Sint Pieter in Rome, die ten tijde van de bouw van de Santa Croce uiteraard nog bestond. De kerk heeft een T-vormige plattegrond met een doorlopend transept en alleen een uitstekende absis aan de oostzijde. Het middenschip is 90,5 m lang, terwijl de oude Sint Pieter 89 meter lang was, en de breedte van de Florentijnse kerk is 19,5 meter, waarmee hij maar 1,5 meter smaller is dan zijn voorbeeld. De verhouding van het middenschip ten opzichte van de zijbeuken is 1:2,42, en dat komt heel dicht bij de verhouding 1:2,5 die zich voordoet in de Santa Maria Maggiore in Rome. Het toepassen van deze laatantieke Romeinse maten en verhoudingen geeft  het kerkgebouw een verheven monumentaliteit en harmonie.

Interieur
De kerk van Santa Croce is een hoogtepunt in de architectuur van de Italiaanse gotiek. De ruimte is opvallend breed en kenmerkt zich door wijdsheid en strenge helderheid in de vormentaal. Die strengheid is ook kenmerkend voor architectuur in Florence. Net als in de Santa Maria Novella wordt de zeer brede middenbeuk geflankeerd door brede arcaden naar de zijbeuken.
Het interieur van de Santa Croce verschilt echter op twee belangrijke punten van de Santa Maria Novella: de open dakstoel en de verhouding tussen het middenschip en de zijbeuken.
De open dakstoel is een veel voorkomend element in Franciscaner kerken. Een dergelijke houtconstructie is veel lichter dan een stenen overwelving. Hierdoor kunnen ook de pilaren minder zwaar zijn. Dit is uitermate geschikt voor een preekkerk als de Santa Croce want hierdoor is er veel meer zicht op het liturgisch gebeuren aan het altaar en is degene die de preek verzorgt vanaf de preekstoel centraal in de kerk, voor iedereen goed te zien en te volgen. Verder is een houten overkapping goedkoper en eenvoudiger, en refereert het wederom aan de vroeg-christelijke basilieken en vooral aan de oude Sint Pieter.
Het andere verschil heeft te maken met de indeling van de traveeën. Geen van de gewelfvlakken van de Santa Croce is vierkant; de zijbeukstraveeën zijn rechthoekig en volgen de lengterichting van de kerk en die van het middenschip zijn bijna twee keer zo breed als dat ze diep zijn. De architect lijkt hierbij gekeken te hebben naar de plattegronden van Cisterciënzerkerken.
In de Santa Croce zijn, meer nog dan bij de  Santa Maria Novella, naast de gotische elementen ook veel klassieke en lokale motieven te vinden, vooral in de verhoudingen van het interieur en de houten dakstoel. De Santa Maria Novella staat meer in de toen gangbare traditie dan de naar het verleden teruggrijpende Santa Croce. Als men met een beetje fantasie de octagonale pilaren vervangt door klassieke zuilen, en de gotische spitsbogen door rondbogen, ziet men overeenkomsten tussen dit kerkgebouw, en de Renaissancekerken van Brunelleschi -zoals bijvoorbeeld de San Lorenzo- die ongeveer een eeuw later werden gebouwd. Natuurlijk gaat deze vergelijking niet helemaal op; de Santa Croce heeft niet het systeem dat men is uitgegaan van één moduul die de proporties van alle onderdelen aan elkaar verbindt. Het gotische karakter van de kerk komt vooral naar voren in de hoge spitsboogvensters van het rijzige priesterkoor en de zijkapellen.
De triomfboog, de boog die de overgang vormt van het schip naar het koor, doet denken aan de klassieke triomfbogen: een grote boog geflankeerd door twee lagere bogen van de koorkapellen.
De pilaren hebben twee soorten kapitelen: Knopkapitelen, een typische motief uit de vroege gotiek van de Cisterciënzers en bladkapitelen met acanthusbladeren. Naar het westen toe, verder van het voormalige monnikenkoor af,  worden de kapitelen eenvoudiger.
Tot 1566 lag er tot de laatste twee traveeën van het middenschip, gezien vanaf  het dwarsschip een monnikenkoor. Dit moet eruit hebben gezien als een rechthoek van muren die iets smaller was dan het schip en lag precies tussen de zes meest oostelijke pilaren. In de muren waren deuren aangebracht en er waren altaren tegenaan opgesteld. Naast de koorfaçade waren de zijbeuken afgesloten met hekken.