Il 20 novembre 1221 i domenicani presero possesso dell'antica chiesa di Santa Maria Novella che era stata fino ad allora di patronato dei canonici del Duomo, come risulta dal più antico dei documenti che la riguardano e che risale al 983. I lavori per l'ampliamento del convento primitivo furono avviati presumibilmente intorno al 1222 ed interessarono l'area circostante l'attuale chiostrino dei Morti. Nel 1246 fu deciso di ampliare anche l'antico edificio religioso, orientato da est a ovest e con la facciata verso l'attuale piazza dell'Unità Italiana che era già stata allargata nel 1244 per accogliere gli innumerevoli fedeli accorsi alle prediche di fr. Pietro da Verona, poi san Pietro Martire, contro gli eretici patarini.

E' probabile che il grandioso dormitorio inferiore, attualmente utilizzato come refettorio, cucine e celle frigorifero dalla Scuola Sottufficiali dei Carabinieri, risalga a poco dopo il 1250, ricordando che nel 1257 fu tenuto per la prima volta in Santa Maria Novella il capitolo generale dell'ordine con il concorso di oltre centocinquanta religiosi.

Intorno al 1270 furono riordinate ulteriormente le costruzioni prospicienti il chiostrino dei Morti che assunse l'assetto attuale solo tra il 1337 e il 1350 quando furono costruite le cappelle che vi si affacciano.

I lavori in chiesa, avviati negli anni Quaranta, presero un impulso decisivo nel 1279 quando, il 18 ottobre, fu posta e benedetta la prima pietra del nuovo edificio , orientato da sud a nord, giunto fino a noi.

Nel 1288 la Repubblica donò ai domenicani il terreno per aprire la nuova grande piazza, terminata presumibilmente verso il 1325, che ancora oggi è una delle maggiori della città. 

La sistemazione del campanile risale al 1330 quando sembra fossero già realizzati il coro antistante la cappella maggiore ed il massiccio tramezzo o ponte a due piani che divideva la parte della chiesa riservata ai frati da quella destinata ai fedeli e che ospitava ben otto cappelle od altari, quattro sopra e quattro sotto. 

Nel 1350 la costruzione della prima grandiosa chiesa gotica di Firenze era certamente ultimata, comprese la cappella Rucellai e quella degli Strozzi, oltre le due testate del transetto, nonché la sagrestia, fatta edificare dai Cavalcanti.

La consacrazione della chiesa, però, risale al 1420 e fu fatta da Papa Martino V il 7 di settembre.

I lavori per la sistemazione definitiva della facciata, cominciati nel 1456 a spese della famiglia Rucellai e su progetto di Leon Battista Alberti, furono conclusi nel 1470.

Anche all'interno del convento, nel corso del XV secolo, l'attività edilizia era ripresa con varie ristrutturazioni e con la costruzione, a partire dal 1418, dell'appartamento papale che, dopo Martino V, ampliato, dal 1434 al 1436 ospitò Eugenio IV il quale vi ritornò nel 1439, in occasione del Concilio di Firenze per l'unione della chiesa latina con quelle d'Oriente.

 Intorno al 1424, di fronte alla facciata del refettorio, era stato costruito il chiostrino di padre Dati e poi, vicino ad esso, nel 1506 si cominciò a edificare il chiostro della Sindicheria.

Nel 1503 i Gondi affidarono a Giuliano da Sangallo il rifacimento della loro cappella, la prima a sinistra di quella maggiore, ma l'opera fu conclusa soltanto alla fine del secolo, forse ad opera di Benedetto da Rovezzano.

Nel 1565 cominciò l'imponente ristrutturazione operata da Giorgio Vasari per volere di Cosimo de' Medici il quale dispose il riordinamento dell'edificio ecclesiale secondo quanto si stava stabilendo al Concilio di Trento, onde ottenere i favori del pontefice domenicano Pio V e con essi la corona granducale.  Per prima cosa fu fatto un elenco della parti da rinnovare e fu deciso l'abbattendo del ponte, del coro e delle antiche cappelle per costruire i nuovi altari monumentali, uno per campata e due addossati alla controfacciata, allineati lungo le pareti delle navate e che sarebbero stati poi consacrati tra il 1577 e il 1578. Le finestre furono ridotte in altezza, allargate e incorniciate; le pareti imbiancate e gli affreschi antichi scialbati, distrutti o nascosti dietro i nuovi altari. Così fu nascosta anche la 'Trinità' di Masaccio ritornata soltanto da pochi decenni nel suo luogo originario e fatta per essere vista dalla porta di accesso alla chiesa dalla parte del cimitero degli Avelli, anch'essa murata dal Vasari. L'altare maggiore fu spostato in avanti e dietro vi trovò posto il nuovo coro. Per fare un altro accesso alla chiesa dalla parte della navata orientale, nella parete della quarta arcata furono abbattuti due avelli ed aperta una porta nel cui vano, oggi richiuso, è venerata la statua della 'Madonna del Rosario'. Accanto si vede ancora l'acquasantiera che vi fu messa al tempo del Vasari e fatta fare da Bartolommeo Cederni.

Ad opera di Ignazio Danti, frate domenicano e cosmografo granducale, sulla facciata furono collocati due strumenti astronomici: il quadrante di marmo, nel 1572, e l'armilla equinoziale, nel 1574.

All'interno, nel 1574, Niccolò Gaddi, comprata la cappella dei Falconi, la seconda a sinistra dell'altar maggiore, la fece rifare da Giovanni Antonio Dosio e dipingere da Agnolo Bronzino. I lavori furono compiuti nel 1577.

Il lato occidentale del chiostro Grande fu espropriato da Cosimo I e così l'appartamento papale fu incorporato nel cosiddetto Monastero Nuovo, fondato nel 1563 in esecuzione del testamento di Eleonora di Toledo per ospitarvi le Cavalieresse di Santo Stefano. I lavori furono affidati all'architetto Giulio Parigi.

Nel 1570 fu costruito un nuovo grande oratorio per la Compagnia di San Benedetto Bianco all'interno del cimitero degli Avelli, lungo il lato orientale della chiesa.

Con l'inizio del XVII secolo i lavori, affidati a Matteo Nigetti, ripresero nel convento con la realizzazione della farmacia sul lato meridionale del chiostro Grande. Negli stessi anni il Nigetti costruì anche un dormitorio per i conversi, con sopra la nuova biblioteca, verso nord, nell'orto del convento, oltre il corpo di fabbrica del lato settentrionale del chiostrino dei Morti.

Nel corso del XVIII secolo furono imbiancate le pareti della chiesa e tutti i vari elementi architettonici, dai pilastri ai costoloni delle volte, furono tinteggiati del colore della pietra serena scura. Nel 1778 fu restaurato il campanile con la distruzione dei decori fogliacei lapidei rampanti dei cantoni della cuspide i cui quattro occhi tondi, posti sulle quattro facciate, furono murati.

Nel 1810, a causa dell'assoluta soppressione del convento decretata dai francesi, i frati furono costretti ad esulare e tutti i vari ambienti diventarono quartieri per le truppe, magazzini e alloggi privati con gravissimi danni anche agli arredi in essi contenuti. Nel 1816, dopo la disfatta napoleonica, i frati tornarono in Santa Maria Novella e compirono vari lavori di riadattamento e di restauro.

Tra il 1846 e il 1847, per la costruzione della stazione ferroviaria di testa della linea Firenze-Pistoia e della piazza antistante, furono requisiti tutto l'orto del convento e gli edifici che vi sorgevano, verso l'abside della chiesa, che furono demoliti. 

Nel 1847 l'architetto Enrico Romoli realizzò la nuova sala di vendita della farmacia e ne rifece l'accesso da via della Scala.

Nel 1857, con i proventi dell'attività della farmacia, cominciarono i grandiosi lavori di restauro in chiave neogotica della chiesa. Il restauro durò due anni: durante il primo, furono stonacate e rintonacate le pareti delle navate laterali, comprese le volte, rimbiancata a calce tutta la chiesa e dipinti tutti gli elementi architettonici del colore della pietra forte, ma in un tono più chiaro di quanto non fosse stato fatto nel secolo precedente. In questa prima fase i lavori furono diretti dall'architetto Baccani il quale, per profondi dissidi con Fr. Damiano Beni, farmacista e committente dei lavori, fu sostituito dal Romoli. Sotto la sua direzione furono demoliti gli altari voluti dal Vasari e ne furono costruiti dei nuovi, quelli giunti fino a noi, utilizzando la pietra dei vecchi. Le antiche finestre furono riaperte tamponando gli allargamenti del Vasari, ma senza tener conto delle posizioni e dimensioni originali allo scopo di metterle perfettamente in asse e perché sotto, all'interno, potessero trovar posto sulle pareti dossali abbastanza alti da alloggiare le tavole cinquecentesche che ancora si trovano dove furono disposte. L'altar maggiore era già stato rifatto nel 1804 su progetto di Giuseppe del Rosso in sostituzione del precedente, opera di Baccio d'Agnolo, ma il granduca Leopoldo II, ritenendolo troppo grande perché nascondeva gli affreschi del Ghirlandaio, volle che fosse di nuovo rifatto secondo il disegno del Romoli ed è quello che si vede ancora.

Fu deciso, poi, di rifare di marmo il vecchio impiantito che era di mattoni con innumerevoli lastre tombali sparse su di esso come sono quelle di Santa Croce. Il mercante di marmi che provvide alla fornitura secondo un disegno che vedeva le mattonelle di marmo nero, più caro, in numero di molto inferiore a quello delle mattonelle di marmo bianco, meno costose, invece di marmo nero fornì marmo bardiglio grigio scuro, di più toni di colore e di pessima qualità che si ruppe subito in molti punti e che ora è tutto frantumato. Le lastre tombali originali furono divelte e quelle nuove allineate tra i pilastri dopo averci inciso gli stemmi delle antiche famiglie. Su di ogni lapide nuova fu inciso anche un numero corrispondente a quello ugualmente inciso sull'impiantito a contrassegnare il punto dove si trovava il sepolcro antico. Oggi i numeri sull'impiantito sono tutti scomparsi per il calpestio, salvo pochissimi casi.

Nel 1858 furono smontati i due tabernacoli del Buontalenti che, addossati ai pilastri subito sopra agli scalini che dividono la chiesa in due parti nel punto dove c'era l'antico ponte demolito dal Vasari, ospitavano le tavole di 'San Pietro Martire' del Cigoli e di 'San Giacinto' dell'Empoli, oggi nel convento.

Nel 1894 fu restaurato il chiostro Verde le cui volte furono ridipinte dove le antiche pitture erano perdute. Anche gran parte delle decorazioni delle volte del chiostrino dei Morti furono rifatte poco dopo.

Nel 1906, in chiesa, fu restaurata la volta della cappella Bardi e messi in luce gli affreschi di Duccio nei lunettoni alla sommità delle pareti. 

Nel 1914 furono riaperte le finestre della cappella Rucellai, già murate, e tra il 1919 ed il 1921, nel convento, furono restaurati il chiostrino di Padre Dati ed il chiostro della Sindicheria.

Nel 1952 fu ricollocata al suo posto la 'Trinità' di Masaccio, trasportata sul tratto orientale della parete di controfacciata quando fu ritrovata nell'Ottocento, in occasione della citata ristrutturazione.

Nel 1961 furono scoperti e rimessi in luce gli affreschi e le decorazioni degli intradossi delle arcate, dei costoloni e delle volte della navata centrale e di quelle laterali e furono tolte gran parte delle ridipinture della pietra susseguitesi nei secoli. Altrettanto fu fatto nei primi anni Ottanta quando sono state restaurate le cappelle del transetto ove furono riscoperte le decorazioni bicrome delle arcate.