La Stazione ferroviaria di Santa Maria Novella fu progettata all'inizio degli anni '30 da un team di architetti del Gruppo Toscano, vincitori del concorso appositamente bandito e guidati da Giovanni Michelucci, mentre gli altri apparati tecnici e di servizio e la centrale termica vennero progettati da Angiolo Mazzoni e conclusi appena prima nel 1929.

La stazione è considerata uno dei capolavori del razionalismo italiano, è collocata nella più grande piazza di Firenze.

Un tempo l'area era occupata dagli orti e da altri edifici dipendenti dal convento di Santa Maria Novella. Dal 1841 al 1848 venne deciso di usare questa area per creare la Stazione Maria Antonia, seconda stazione fiorentina dopo la Stazione Leopolda, per garantire i collegamenti per Pistoia e Lucca. La Stazione Maria Antonia, inaugurata nel 1848, sorgeva molto a ridosso dell'abside della chiesa, tanto che per la sua costruzione erano state sacrificate quattro cappelle del complesso.

Dal 1931 si iniziò a pensare a una nuova stazione che potesse gestire il sempre crescente numero di passeggeri, incrementato anche dalla chiusura della stazione Leopolda, quindi fare da centro del sistema ferroviario toscano e con connessioni nazionali e internazionali.
La nuova stazione, in posizione più arretrata, si caratterizzava per le linee sobrie e funzionali, interpretate con spirito funzionale secondo le esigenze di un moderno snodo ferroviario, il primo in Italia. Non mancarono le asperrime critiche al progetto, però oggi il giudizio generale tende ad essere positivo. Un elemento di forza fu la scelta dei materiali: vetro, marmi pregiati, rame all'interno, mentre all'esterno fu optato per la pietraforte, materiale tradizionale dell'architettura fiorentina, usato per esempio nell'antistante chiesa di Santa Maria Novella, ottenendo così un gradevole elemento di fusione tra antico e moderno.

Il grande piazzale antistante alla stazione fu definito per lo più nel periodo di costruzione della stazione e l'aspetto generale degli edifici risente soprattutto del déco del periodo fascista. A destra dell'abside di santa Maria Novella si trova l'edificio della Scuola Marescialli e Brigadieri Carabinieri, inaugurato nel 1920, coprendo con un corpo unico una parte del convento domenicano che tutt'oggi è usato dalla caserma. Sulla facciata sono disposti alcuni pannelli scolpiti a bassorilievo sul corpo dell'Arma.

Il lato nord fu completamente ricostruito negli anni '30 ed esistono fotografie che ritraggono le demolizioni di quel periodo. L'edificio più rilevante è il monumentale palazzo della Ina Assitalia che si trova in angolo con Largo Alinari.