Incorporò l'antica torre della famiglia Vacca utilzzandola come parte bassa della torre nella facciata. Questa è la ragione per cui la torre rettangolare (94 m) non è nel centro dell'edificio. Questa torre contiene due piccole celle in cui furono imprigionati in tempi diversi Cosimo Il Vecchio (1435) e Girolamo Savonarola (1498). La torre è anche conosciuta come la Torre d'Arnolfo.

Il grande orologio con una sola sfera fu originariamente costruito dal fiorentino Nicolò Bernardo, ma fu rimpiazzato nel 1667 da uno costruito da Vincenzio Viviani.

Questo palazzo è attualmente il risultato di tre costruzioni successive portate a termine fra il XIII ed il XVI SECOLO. Dopo la morte di Arnolfo, il palazzo fu completato da altri nel 1314. Da allora fu la sede della Signoria, ovvero del consiglio cittadino con a capo i Priori (fra cui Dante nel 1300), e del capo della giustizia, il Gonfaloniere della giustizia.

Il palazzo a forma cubica da l'impressione di solidità anche per mezzo della finitura esterna in pietra grezza a vista, è ornato da due file di bifore in stile gotico, ognuna delle quali ha un arco trifogliato. Michelozzo Michelozzi aggiunse bassorilievi. Il palazzo è coronato da merli protettivi sorretti da piccoli archi aggettanti. Sotto gli archi c'è una serie ripetuta di scudi della repubblica fiorentina. Alcuni di questi archi possono essere utilizzati per gettare su eventuali invasori olio bollente o pietre.

Il palazzo venne utilizzato come sede del governo da molti leader, inclusi il Duca di Atene, Walter VI di Brienne. Egli iniziò le prime modifiche nel periodo (1342-1343), dandole l'aspetto di una fortezza. Ma le modifiche più importanti avvennero nel periodo 1440-60 sotto Cosimo de' Medici, con l'introduzione di decorazioni in stile rinascimentale nella Sala dei Dugento ed il primo cortile di Michelozzo. La Sala dei Cinquecento fu costruita durante la repubblica di Savonarola. Fra il 1540 e il 1550 fu la casa di Cosimo I De' Medici, il quale incaricò il Vasari di allargare il palazzo per assecondare i gusti esigenti della corte granducale. Il palazzo raddoppiò il proprio volume per effetto delle aggiunte sulla parte posteriore.

Il nome venne cambiato ufficialmente quando Cosimo si spostò a Palazzo Pitti e chiamò la precedente residenza Palazzo Vecchio mentre la piazza Piazza della Signoria mantenne il proprio nome. Vasari inoltre costruì un percorso, il Corridoio Vasariano, che collega ancor'oggi Palazzo Vecchio a Palazzo Pitti. attraversando l'Arno sul Ponte vecchio.

Cosimo I inoltre spostò la sede del governo negli adiacenti Uffizi. Il palazzo guadagnò nuova importanza quando fu sede del governo provvisorio nel periodo 1865-71, quando Firenze divenne capitale del Regno d'Italia.

Anche se oggi la gran parte di Palazzo Vecchio è adesso un Museo, è ancor'oggi simbolo del governo locale. È sede del municipio di Firenze e sede del consiglio comunale.