Spurs tog ledningen i den första halvan när Ben Davies var befläckad inne i området och Nacer Chadli rullade hem den efterföljande straffet.
Men Federico Bernardeschi utjämnade när hans avböjda strejk slingrade in i nätet.
Dele Alli sköt över sent för Spurs, men en dragning var ett rättvist resultat.
Återupplev Tottenhams dragning på Fiorentina här.
Tottenham skulle förlåtas för att prioritera inhemska framgångar över europeisk ära denna säsong, med tanke på att de är i en stark position att utmana för en första ligan titel på 55 år.
De är tvåa i Premier League, två poäng efter ledare Leicester, men manager Mauricio Pochettino har uttryckt en önskan om att vinna varje tävling de är inblandade i.
Även om han gjorde sex ändringar på den sida som slog Manchester City på söndagen, fanns det fortfarande flera förstalagare inblandade, inklusive Alli, Christian Eriksen och Chadli.
Under stora perioder av matchen såg de ut som hemmasidan som Fiorentina, kanske medveten om besökarnas hot mot motattacken, antog en försiktig strategi och hade inte ett skott på mål i första halvan.
Det var inte en klassisk Tottenham display, men det faktum att ett mycket förändrat team kunde säkra ett positivt resultat bort till ett lag som har vunnit 10 av sina 13 hemmamatcher den här säsongen bådar gott för Pochettino ambitioner.
Pochettino har fått stor beröm för att ha vårdat Tottenhams unga talang, med Alli en av de mest spännande att komma fram under sin tid.
Den 19-årige åter visade glimtar av briljansen han är kapabel till, särskilt att producera en snygg bit av skicklighet som nästan fick honom ur trubbel när omgiven av fyra Fiorentina spelare.
Han visade dock omogenhet när han verkade sparka ut på försvararen Nenad Tomovic, och hade kanske turen att bara vara bokad.
Det kunde ha varit lätt för Pochettino att ersätta midfielder strax därefter för att undvika en potentiell avgång, men argentinaren visade i stället sitt förtroende för ungen genom att hålla honom på.
Pochettino belönades nästan sent när Allis spektakulära akrobatiska insats var över.
Tottenham boss Pochettino, talar om Alli verkar sparka en motståndare: "Vi måste försöka lära honom
"Han är en ung spelare och han har mycket att lära om elitfotboll.
"Det är hans första säsong i Premier League på Tottenham. Han kom från League One, han måste lära sig mycket. Men jag såg det inte. Vissa människor säger ja, säger nej, så jag vet inte."
Läs mer från Pochettino
Returbenet är på White Hart Lane den 25 februari. Innan dess, Spurs värd Crystal Palace i FA Cup på söndag.
Tottenham kommer att ta bort ett mål i andra etappen av sin Europa League sista-32 slips med Fiorentina efter en dragning i Italien.