Mentre la figura del Vescovo nella vita cittadina assumeva un rilievo crescente, la sorte di Firenze si legò sempre più da vicino ai rappresentanti in Toscana del Sacro Romano Impero: Ugo di Toscana, che vi stabilì la sua sede prediletta, e la contessa Matilde, ascesa al marchesato nell'ultimo quarto dell'XI secolo, che si fece promotrice della costruzione di una nuova cerchia di mura attorno all'abitato, corrispondente alle mura romane.
Tra gli eventi più significativi per Firenze e per la zona del Duomo nell'XI secolo, è da segnalare, nel 1058, l'ascesa al soglio pontificio del Vescovo di Firenze, Goffredo di Borgogna, col nome di Niccolò II. Il nuovo Papa passò più tempo a Firenze che a Roma, e consolidò il prestigio della città ridando vita alle chiese più antiche dentro le mura, tra cui il Battistero di San Giovanni.
Niccolò II iniziò un processo di ampliamento ed abbellimento del centro religioso che si sviluppò tra i secoli XI e XIII. Tra le innovazioni vi fu forse la totale ricostruzione nel Battistero dell'aula battesimale tardo-antica con il vasto edificio che noi conosciamo e anche l'ampliamento di Santa Reparata. Sono di questo periodo le colonne pisane, ai lati della facciata della porta est del Battistero, due fusti di porfido, d'origine classica, donate dai Pisani ai Fiorentini nel 1115, per la loro collaborazione nel corso della battaglia delle Baleari contro i musulmani. Sembra che in questa occasione i Pisani le abbiano private dei mosaici di scuola veneziana di cui erano rivestite. Le colonne sono spezzate: si racconta che i Pisani le avessero portate già rotte e, per nascondere tale difetto, le avessero ricoperte con damasco. Ne sarebbe derivato il motto: Fiorentini ciechi e Pisani traditori. Ma è più probabile che le colonne si siano rotte durante l'alluvione avvenuta nell'aprile del 1424.
La rinascita dell'XI-XIII secolo avviene in un contesto di evoluzione politica ed economica che vede la Chiesa protagonista nell'affermare l'identità cittadina.
Con la distruzione, nel 1125, di Fiesole il potere della Fiorenza guelfa venne infatti consolidato. A questo periodo risale il primo nucleo del 'mirabile' sistema ospedaliero per cui Firenze sarà celebre: lo Spedale di San Giovanni Evangelista, collocato nello spazio ristretto tra Battistero e Santa Reparata, ed ora completamente perduto.
Il nucleo che nelle città medievali si costituì intorno alle chiese cattedrali rappresentò inevitabilmente il baricentro di sviluppo urbanistico, da cui si irradiavano i tracciati delle strade, ma per trovare a Firenze una cattedrale completamente 'circumnavigabile', bisogna attendere fino alla fine del Duecento con Santa Maria del Fiore.