Palazzo Vecchio a fost proiectat de Arnolfo di Cambio, un arhitect și sculptor florentin care a fost, de asemenea, responsabil pentru construcția Domului și a altor clădiri notabile din oraș. Cambio a fost un pionier al stilului gotic italian, iar lucrările sale la Palazzo Vecchio au contribuit la stabilirea stilului arhitectural în Florența. Arhitecții și artiștii, în special Michelozzo di Bartolomeo și Giorgio Vasari au jucat, de asemenea, roluri secvențiale importante în structură și decor, în special în timpul transformării sale renascentiste sub dinastia Medici.