Dalla caduta dell'Impero Romano d'Occidente alla svolta dell'anno Mille
Con le invasioni barbariche e con la caduta dell'Impero Romano d'Occidente (476 d.C.), tutta la Tuscia fa parte del regno degli Ostrogoti di Teodorico.
Durante la guerra greco-gotica l’esercito del bizantino Belisario respinge e sconfigge a Fiesole (539) i Goti.
La città avrà quindi una seconda cinta muraria, dopo quella romana, la cerchia bizantina (541-545), più ristretta della precedente, con una diminuzione del perimetro cittadino (in 3 lati su 4) e del numero di abitanti, e riducendo la città ad una fortezza, di cui faceva parte probabilmente l’attuale Torre della Pagliazza (Piazza Sant'Elisabetta: oggi Hotel Brunelleschi).
Dal 568 i Longobardi invadono l'Italia, e Firenze diventa per due secoli parte del loro ducato di Toscana, in cui però la città più importante è Lucca. Nel 715 il re longobardo Liutprando è a Firenze.
Nel 774 Carlo Magno, re dei Franchi pone fine al dominio dei Longobardi: è documentata la sua presenza a Firenze nel 781 e nel 786; inoltre si dice che, nell’ottica della “riprese carolingia”, abbia fondato la chiesa dei Santi Apostoli nell’anno 805 (menzionata però solo dal 1075), dando nuovo impulso alla città dopo la decadenza della vita cittadina a favore di un'economia rurale in epoca feudale.
Viene anche costruita la terza cerchia muraria, la cerchia carolingia (inizio IX secolo), riprendendo, ad oriente e ad occidente, il perimetro romano, da cui resta ancora esclusa la zona settentrionale corrispondente al Duomo.