L'intermezzo francese alla dominazione lorenese vide a Firenze la dominazione di Maria Luisa di Borbone (regina d'Etruria dal 1801) e della granduchessa Elisa Baciocchi Bonaparte (1809-1814).
Nel 1801 il romantico ed inquieto Ugo Foscolo è a Firenze, dove un amore infelice ispirerà il romanzo epistolare le Ultime lettere di Jacopo Ortis, né lo consola la memoria delle glorie italiane, con le loro tombe nella chiesa di Santa Croce, che esalterà nei Sepolcri (1807), e dove saranno trasportate le sue sploglie nel 1939; del 1812 è il suo soggiorno fiorentino sul colle di Bellosguardo, quando compose il poema Le Grazie, punto di riferimento del gusto neoclassico.
Nel 1803 muore a Firenze il tragediografo Vittorio Alfieri, cui sarà dedicato un monumento di Antonio Canova (1810) in Santa Croce.
Con la Restaurazione e il ritorno di Ferdinando III (1814) riprendono le riforme in agricoltura, come le bonifiche della Maremma.
Nel 1819 è fondato da un mercante di origine ginevrina il Gabinetto Viesseux, biblioteca e circolo culturale da cui nascerà la rivista l'Antologia (1821), a cui collaboreranno importanti personalità come Gino Capponi o Giacomo Leopardi.
La facciata della Villa di Poggio Imperiale, abitata nel Seicento dalla granduchessa Maria Maddalena d'Austria, vedova di Cosimo II dei Medici, viene ristrutturata in stile neoclassico nel 1823.
Nel 1824 sale sul trono il quarto e ultimo dei granduchi lorenesi, Leopoldo II; del 1829 è la spedizione in Egitto del toscano Ippolito Rosellini e del francese Champollion: riporteranno molti reperti antichi, oggi al Museo Archeologico di Firenze o al Louvre di Parigi.
Nel 1827 Alessandro Manzoni soggiorna qualche mese a Firenze, sulle rive dell'Arno, per “risciacquare i cenci” del suo romanzo.
Nel 1835 Firenze ha il suo quinto attraversamento dell'Arno: il Ponte San Leopoldo, ponte sospeso e in metallo, sostituito nel 1925 dall'attuale Ponte della Vittoria (dal 1925, in muratura), a sua volta rifatto nel 1946 dopo gli eventi bellici. Analogamente sospeso e in ferro il Ponte San Fernando (1837), sostituito dal Ponte San Niccolò, a traliccio (1890, per il “tramway”), rifatto in cemento armato ad una sola arcata (1949).
Il granducato di Toscana nel 1847 entrò in possesso del ducato di Lucca; del 1848 sono la Stazione ferroviaria Maria Antonia (oggi Stazione di Santa Maria Novella, rifatta nel 1935 da Giovanni Michelucci), e la Stazione Leopolda (fuori Porta al Prato): entrambe prendono nome dalla coppia regnante.
Nel 1847 è realizzato il neogotico Campanile di Gaetano Baccani per la chiesa di Santa Croce, che nel 1863 vedrà l'inaugurazione di una Facciata tricuspidata in marmo bicromo, di Nicola Matas.
Nonostante le caute aperture del granduca Leopoldo II (libertà di stampa, guardia civica) le nuove idee liberali portano nel 1849 al triumvirato toscano di Guerrazzi, Montanelli e Mazzoni, durante la I guerra d'Indipendenza, quando il granduca deve rifugiarsi momentaneamente a Gaeta, prima di ritornare scortato dalle truppe austriache.
La pacifica manifestazione popolare del 27 aprile 1859 provoca l'allontanamento definitivo del granduca Leopoldo II, detto bonariamente Canapone, che morirà in esilio, mentre il plebiscito del 12 marzo 1861 stabilisce l'unione della Toscana al regno di Sardegna, che nel 1861 diventa regno d'Italia sotto Vittorio Emanuele II.
Tra il 1855 e il 1867 si riuniscono presso il caffè Michelangelo i Macchiaioli (Fattori, Signorini, Lega), pittori antiaccademici che accostano colori e ombre con effetti di grande luminosità.
Dal 1865 al 1870 Firenze, capitale d'Italia, con Ubaldino Peruzzi sindaco nel 1868-78, vede aumentare la propria popolazione ed attua una serie di interventi urbanistici: l'abbattimento della cinta muraria trecentesca per realizzare i viali di circonvallazione (i Viali Petrarca, Ariosto, Rosselli, Lavagnini, Matteotti, Gramsci, Giovine Italia), mentre Giuseppe Poggi continua il tracciato sull’altra sponda dell’Arno con il Viale dei Colli: la Loggia-caffè al Piazzale Michelangelo è del 1873.
Con l’inaugurazione della facciata, nel 1887 ha termine l'infinito cantiere del Duomo di Santa Maria del Fiore, dopo sei secoli.
Nel 1890 è compiuta, con motivazioni di risanamento edilizio, ma anche con scopi di speculazione edilizia, la demolizione dell'area del Mercato Vecchio (Piazza della Repubblica) e del ghetto ebraico; la nuova Sinagoga, o Tempio Israelitico (1882) sorge nel quartiere della Mattonaia, in stile bizantino-moresco.