I perioden fra 1250-1258 ble det så påbegynt en konstruksjon av en helt ny kirke i gotisk stil over det gamle kapellet, og dette prosjektet ble ledet av Nicola Pisano ifølge noen, men mer sannsynlig regnes det for å ha vært Neri di Fioravanti. Dette ble dermed også en av de aller første gotiske kirkene i Firenze, det var kun Santa Maria Novella som kom før og var påbegynt i 1242. Santa Trinita ble fortsatt som prosjekt mellom 1300 og 1330, deretter avbrutt av svartedauden i 1348, og fortsatte videre i perioden 1365-1405.