Elle s'élève où existait la précédente gare "Marie Antoinette", un édifice projeté et réalisé entre 1848 et 1851.

La gare fut appelée ainsi en honneur de Marie Antoinette de Bourbon deux Siciles, femme du Grand Duc Léopold II. Cette voie ferrée unissait Florence aux villes de Prato, Pistoia et Lucques.
La gare actuelle fut réalisée dans les années 1933-1935 par un groupe d'architectes toscans coordonné par le célèbre Giovanni Michelucci. C'est un bel exemple de fonctionnalisme qui s'intègre bien avec le milieu préexistant sans renier les solutions modernes; ceci est particulièrement évident dans la façade qui fait face à la tribune gothique de l'église S. Maria Novella.
Le hall de la billetterie et, sur le côté vers la place Adua, le pavillon royal, ainsi appelé parce qu'il était destiné à recevoir le roi d'Italie,sont intéressants parce qu'ils unissent des éléments de pure rationalité à un effet monumental.
Mais il ne s'agit pas là de la première gare de Florence, car en 1847 avait été inaugurée la gare de la voie ferrée Leopolda.