All'interno del Duomo, fra il primo e il secondo pilastro del lato destro della navata centrale, si apre la scala che permette di scendere per due metri e 70 centimetri fino al pavimento della chiesa di Santa Reparata, seconda cattedrale della Firenze cristiana dopo San Lorenzo ma anche luogo deputato per le riunioni del Parlamento della Repubblica prima della costruzione di Palazzo Vecchio. Una chiesa che la "Cronica" trecentesca di Giovanni Villani descrive come "di grossa forma e piccola a comparazione di siffatta cittade" (la possiamo vedere in parte nell'affresco del Museo del Bigallo). La sua lunghezza non arrivava alla terza campata della navata centrale odierna. Gli scavi, iniziati nel 1965 per rimettere ordine nel sotterraneo usato in secoli recenti come sepolcreto degli arcivescovi fiorentini, mostrarono ben presto la ricchezza dei reperti archeologici e la possibilità di ricostruire la storia della basilica e della stessa topografia cittadina.

La vasta area, aperta al pubblico dal 1974, contiene anzitutto resti di mura e pavimenti di case della "Florentia" romana che dimostrano come il complesso basilicale (compreso il Battistero) sia sorto subito sopra il livello romano e a soli sei metri di distanza dalla cinta muraria nord-est della città, in un quartiere popolare e "operaio": lo rivela la presenza di alcune botteghe artigiane.
Questi edifici furono spianati per far posto alla nuova cattedrale negli anni a cavallo fra il IV e il V secolo, in un momento di particolare ricchezza della città, e forse sotto lo stimolo del vescovo Zanobi, morto nel 429. La leggenda vuole che la costruzione sia stata decisa dopo la vittoria di Stilicone sui barbari di Radagaiso, avvenuta l'8 ottobre del 405 dietro la collina di Fiesole e accompagnata dall'apparizione miracolosa di Santa Reparata, di cui proprio quel giorno ricorreva l'anniversario del martirio.

Certo è che questa prima chiesa poggia il suo raffinato pavimento a mosaico, oggi di nuovo visibile, a soli 30 centimetri da quello delle case romane e che la sua facciata si avvicinava al Battistero otto metri più dell'attuale. La pianta era a tre navate divise da colonne, con una sola abside semicircolare. Sul pavimento, una lapide con i nomi dei 14 diaconi (tutti di origine latina) che finanziarono la costruzione.
La successiva guerra gotico-bizantina (535-553) fu rovinosa per Firenze, che si vide costretta a restringere la sua cerchia muraria lasciandone fuori il complesso basilicale. La cattedrale fu probabilmente saccheggiata e forse devastata. Da qui la successiva ricostruzione in epoca carolingia (VIII-IX secolo), documentata dagli scavi. Questa seconda Santa Reparata mantiene l'impostazione a tre navate e le dimensioni della chiesa precedente ma nella zona absidale si inseriscono due cappelle laterali, quasi un accenno al transetto della pianta a croce latina. Si aggiungono anche una specie di cripta e un nuovo pavimento composto da tarsie marmoree, lastre di marmo, cotto e pietra, poggiato poco al di sopra del precedente mosaico.

Abbellimenti successivi portano, fra l'altro, alla creazione di un coro rialzato e di una cripta sul modello di San Miniato: qui il corpo di San Zanobi, trasferito da San Lorenzo nel IX secolo, sarà custodito fino al 1439, quando Ghiberti eseguirà la preziosa Arca collocata nella cappella centrale della tribuna. Queste ristrutturazioni risalgono probabilmente agli anni 1050-1106, quando nella cattedrale furono tenuti due importanti Concilii ecumenici e vi furono sepolti due Papi, Stefano IX e Niccolò II, morti rispettivamente nel 1058 e nel 1063.

Gli ultimi rifacimenti di Santa Reparata risalgono ai secoli XII (alcuni affreschi) e XIII-XIV, quando fu nuovamente pavimentata con semplici mattoni di rozza qualità: a questa data era già iniziata la costruzione della basilica di Arnolfo, si tratta quindi di semplici interventi di manutenzione necessari a tenere in uso la basilica fino al 1375, anno in cui la chiusura della navata di Santa Maria del Fiore ne decretò l'abbattimento.

Fra i reperti visibili sullo scavo si ricordano una moneta coniata dai figli di Costantino il Grande negli anni 337-340, una maschera romana (secoli I a.C.-III d.C.), reperti tardo-romani, una tazza paleocristiana, un calice di vetro di epoca longobarda, una fibbia in oro e argento del XII secolo, oggetti di ceramica e maiolica arcaica e numerose lastre tombali. Fra queste, quella di Niccolò Squarcialupi (1313), antenato di quell'Antonio Squarcialupi di cui si può trovare il busto scolpito da Benedetto da Maiano (1490) fra le sculture del transetto sinistro del Duomo.

La presenza della tomba di Giovanni di Alamanno de' Medici, morto nel 1352, mostra l'importanza già raggiunta dalla famiglia a questa data. Giovanni, fratello di quel Salvestro che avrebbe capeggiato nel 1378 il Tumulto dei Ciompi, porta incisa sulla lastra sepolcrale la prestigiosa carica di Gonfaloniere della Repubblica. Nel corso della campagna di scavi del 1965-74 è stata ritrovata anche la tomba di Filippo Brunelleschi, mentre non si hanno tracce di quelle di Giotto e Arnolfo di Cambio, che pure la tradizione vuole sepolti qui.