Muzeul Opera del Duomo a fost ridicat in 1296, initial fiind o simpla cladire unde erau stocate materialele folosite la constructia catedralei. Abia in 1891 a devenit sediului muzeului ce adaposteste astazi toate capodoperele stramutate aici de-a lungul timpului, din Catedrala, Baptisteriu si Clopotnita. Are doua etaje si un mezanin, iar colectia de sculpturi de aici este a doua ca marime si importanta dupa cea de la Muzeul Bargello, aflat in imediata apropiere.
Piesa de rezistenta este curtea interioara, unde tanarul Michelangelo si-a sculptat arhicunoscuta sa capodopera "David". Astazi, ea gazduieste panelele ce au decorat "Portile Paradisului" dinspre latura estica a Baptisteriului, creatie a lui Lorenzo Ghiberti. Sala principala gazduieste o serie de statui, majoritatea salvate dupa ce fatada catedralei realizate de Arnolfo din Cambio a fost demolata. Cele mai "atragatoare" sunt statuia "Sfantul loan Botezatorul" a lui Donatello si cele doua capodopere ale lui di Cambio: "Madonna con gli occhi di vetro", ai carei ochi par ca ne privesc dintr-o alta lume, si statuia comica a depravatului Bonifaciual VIII-lea.
Cum urci pe scari, treci pe langa "Pieta", capodoperea lui Michelangelo (circa 1550), opera realizata spre sfarsitul vietii sculptorului, destinata probabil pentru decorarea propriului mormant (e posibil ca portretul lui Nicodim sa fie, de fapt, un autoportret). La un moment dat, Michelangelo n-a mai fost incantat de aceasta lucrare, asa ca, intr-un moment de furie, a distrus bratul stang si piciorul lui Iisus. Statuia a fost mai apoi reparata de catre un elev al lui, numai ca urmele distrugerii si diferenta de stiluri sunt extrem de evidente.
Prima sala de la etaj adaposteste doua impresionante si contrastante contorie, sau strane, una realizata de Donatello (1433-1439), cealalta de Luca della Robbia (1431-1438). Ambele au fost mutate de la intrare in sacristia catedralei. In apropiere se afla "Maria Magdalena" (1455), renumita statuie din lemn a lui Donatello, si statuia profetului plesuv al Vechiului Testament, "Habacuc" (1423-1425), una dintre cele 16 statui stramutate aici din Clopotnita. In sala din partea stanga sunt adapostite alte opere de arta stramutate din Clopotnita - basoreliefurile realizate de Andrea Pisano, Luca della Robia si elevii lor. Celelalte sali de la etajele superioare si mezanin adapostesc o serie de picturi si relicvarii renascentiste si un fascinant sector dedicat lui Brunellescht, compus dintr-o serie de unelte si alte echipamente folosite la constructia cupolei catedralei.