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Attribuito ad Arnolfo di Cambio che l'avrebbe iniziato nel 1299, incorporandovi l'antica torre dei Foraboschi. Dopo la morte di Arnolfo (1302), il Palazzo fu terminato da altri artisti nel 1314. Il solido edificio a forma cubica è arricchito, nel suo slancio, dalla «torre liscia» che, impreziosita dall'orologio del Lederle, si erige sempre più elegante terminando in alto con la torre campanaria sormontata dalla «cuspide» recante il vivacissimo leoncino rampante.

In questo pubblico palazzo costruito per la sede dei Priori vi abitò più tardi il Duca d'Atene (1342-43), cacciato per la sua tirannia. Dal 1540 al 1550 fu dimora di Cosimo 1, che fece ampliare la costruzione. Trasferitosi poi con la famiglia al Palazzo Pitti questo Palazzo fu designato col nome di «vecchio», rispetto al «nuovo », cioè Pitti. Questa denominazione gli è poi rimasta. Sul lato di via Gondi sono ben visibili gli ampliamenti del Palazzo Vecchio, eseguiti nel XVI e XVII secolo.
Salone dei Cinquecento: cosiddetto dal numero dei componenti il Consiglio Generale del Popolo ai tempi del Savonarola il cui governo popolare si sostituiva al potere di Lorenzo il Magnifico dopo la cacciata dei Medici. 
Fu anzi proprio per accogliere questo grande numero di persone che si decise di costruire una sala tanto ampia che doveva poi essere decorata dai più grandi artisti del primo Cinquecento fiorentino. Le cronache ricordano come cosa meravigliosa, addirittura come "la scuola del mondo", i cartoni preparatori per gli affreschi delle battaglie di Cascina e di Anghiari che Michelangelo e Leonardo dovevano realizzare in competizione sui muri di questo salone e che sono andati purtroppo distrutti. Il salone come lo si vede ora è, nella struttura, opera dei rifacimenti cinquecenteschi al tempo dell'insediamento di Cosimo I quando Vasari, il factotum artistico di Cosimo, rialzò il soffitto portandolo ai i 8 metri attuali e confermò la pianta di 53 per 22. In occasione di una recente mostra il salone è stato riportato alla
decorazione cinquecentesca che attraverso i secoli aveva subito modificazioni. Si potrà dunque notare che il salone era stato pensato come grande spazio per celebrare il principe mediceo la cui apoteosi si compie al centro dello stupendo soffitto a cassettoni decorato con storie della vita di Cosimo che si spiegano poi scenograficamente sulle pareti dove sono raccontate le battaglie vittoriose del principe la cui abilità di guerriero aveva un nobile e diretto precedente nella figura del padre, Giovanni dalle Bande Nere, e, mitologicamente, si rifaceva alla forza e alla giustizia di Ercole le cui "fatiche ", che girano intorno allo zoccolo, vi furono scolpite da Vincenzo de' Rossi a completamento del programma vasariano. Ricordiamo che fu la mente del Vasari a pensare l'intera decorazione e che i lavori furono portati avanti negli anni Sessanta del XVI secolo sempre per mano di Vasari ed aiuti. Tra le statue si noterà un gruppo marmoreo dove un giovane sottomette un vecchio barbuto: si tratta del Genio della Vittoria che Michelangelo aveva scolpito per la tomba del papa Giulio lì e che dovette parere un argomento tanto interessante ed allegorico della forza giovanile del principe da porlo qui in completamento del programma.

Sempre nello stesso salone, alla destra dell'entrata, si apre il piccolo ma preziosissimo Studiolo di Francesco L Appassionato ricercatore della 'pietra filosofale" con la pratica dell'alchimia che consisteva nella trasformazione dei metalli il principe si fece costruire e decorare con temi allegorici ed esoterici questa deliziosa stanza dove dietro i pannelli dipinti si nascondevano armadi con alambicchi, minerali e libri sull'argomento.
La decorazione, del 1570 ca., fu affidata ai più noti artisti del tempo che, con la sovrintendenza di Vasari e Borghini, ...rappresentarono sugli sportelli le attività dell'uomo in relazione ai vari elementi (come ad es. "la pesca delle perle" di Alessandro Allori in relazione all'acqua o "il laboratorio di alchimia" dello Stradano in relazione al fuoco) mentre nelle nicchie prendevano posto statuette in bronzo di divinità mitologiche, opere di Giambologna ed altri artisti del tempo. In alto, uno di fronte all'altro, i ritratti dei genitori di Francesco I: Cosimo ed Eleonora di Toledo.

Dietro ad uno degli armadi si aprono pure delle piccolissime stanze segrete dette "il Tesoretto". La porta che si trova al lato opposto dell'entrata al salone dei Cinquecento conduce ai Ouartieri di Leone X; fino a poco tempo fa chiusi al pubblico perché sede dell'amministrazione ma ora finalmente riaperti mostrano il proseguimento del programma vasariano qui volto alla glorificazione di quel ramo della famiglia medicea che da Cosimo il Vecchio aveva germogliato Lorenzo il Magnifico ed il figlio di questo, Giovanni, divenuto papa col nome di Leone X.
Ognuno ha una stanza completamente dedicata e completa di affreschi relativi a episodi e gesta famose. Dalla sala di Leone X, la più ampia con un bel pavimento, si sale al piano superiore per una scala alla fine della quale sulla sinistra si apre il Ouartiere degli Elementi mentre sulla destra, dopo una stretta terrazza che dà sul Salone dei Cinquecento, si entra nei Ouartieri di Eleonora. Iniziando dalla sinistra si trova dunque il Quartiere degli Elementi così detto dalla prima ampia sala dove le pareti ed il soffitto sono decorate con scene allegoriche della mitologia e relative ai quattro elementi che si trovano in natura: terra, acqua, fuoco ed aria e dal cui sfruttamento e combinazione deriva la civiltà ed il benessere dell'uomo.

Le sale più piccole che seguono e che sono, come quasi tutto il palazzo, opera di Vasari e aiuti, sono dedicate a divinità della mitologia classica che hanno riferimento alla fertilità, alla ricchezza ed alla civiltà. Si giunge poi ad una graziosa terrazza intitolata a Saturno (dal dipinto nel soffitto) dove è possibile spaziare con lo sguardo sullo straordinario panorama di Firenze.

Terminata la visita di questo Quartiere si passerà a quello di Eleonora, la moglie di Cosimo I: gentildonna spagnola, di Toledo, aveva qui riservata la sua abitazione e quella delle ancelle e delle gentildonne del seguito. Nella prima sala si apre una cappellina dove Eleonora pregava, finemente decorata dal Bronzino; si segue poi in belle stanze tutte intitolate a donne famose della storia: le Sabine, Ester, Penelope e la fiorentina Gualdrada che rifiutò, per onor di virtù, di baciare l'imperatore Ottone IV. Si continua fino ad una cappellina dove Savonarola passò le ultime ore in preghiera e poi si arriva alla stupenda Sala dell'Udienza dal soffitto riccamente intagliato da Benedetto da Maiano e poi affrescata dal Salviatì (1550-60) con storie di Camillo che sono tra i testi più interessanti di un 'manierismo" ricco, colorato, denso di immagini e di umori. Una porta, intagliata in legno con ritratti di Dante e Petrarca, introduce
poi alla Sala dei GigIi (cosidetta dalla decorazione in oro zecchino che riproduce appunto gigli): anche questa finemente lavorata nel soffitto presenta un grande affresco nella parete di fronte dove, attorno al 1480, il Ghirlandaio aveva ritratto personaggi dell'antica Roma (Bruto, Muzio Scevola, Cicerone ecc.) insieme al vescovo dì Firenze S. Zanobi, seduto in cattedra. Sulla sinistra di questa parete una porticina immette a quella che fu la Segreteria del Machiavelli; sulla destra è invece la Sala delle Carte Geografiche che riproducono sulle ante degli armadi i vari paesi e continenti: al centro il "riassuntivo" mappamondo in cartapesta che è opera di Ignazio Danti (XVI sec.).
Ritornati nella sala dei Gigli si attraversa la porta che si apre sulla parete di fronte a quella delle finestre per arrivare alle scale che portano prima al ballatolo e poi alla torre del palazzo da dove si può godere un panorama bellissimo.
Nella torre si apre pure una piccola cella detta "Alberghinetto" dove furono imprigionati Cosimo il Vecchio (nel 1433) prima dell'esilio e Savonarola (1498) prima della morte sul rogo in piazza della Signoria.