Las invasiones bárbaras deterioraron seriamente la importancia de Florencia. En el 405, la ciudad logró parar las hordas de Radagasio, pero luego no pudo evitar estar implicada en la guerra desastrosa entre Godos y Bizantinos. Su posición estratégica como ciudad sobre el Arno y punto fuerte en la ruta de las comunicaciones entre Roma y Padania explica porqué la ciudad fue sitio de disputa entre Godos y Bizantinos.
Entre 541 y 544 una nueva muralla fue construida, utilizando las estructuras de varios edificios romanos grandes: el Campidoglio, el depósito para el agua de los baños y del teatro. La pared era trapezoidal y su modesto tamaño atestigua la declinación de la ciudad, con grande disminuición de la población; pudo llegar a tener menos que mil habitantes.
Al final del siglo VI, cuando los Lombardos conquistaron la Italia del norte y central, Florencia también cayó bajo su dominio. Era el principio de lo que se puede considerar el período más oscuro de la historia de la ciudad. Aislado de las rutas principales, la razón principal de su existencia desapareció repentinamente. Para sus comunicaciones norte-sur, los Lombardos abandonaron la ruta central de Bolonia-Pistoia-Florencia porque los exponían a las incursiones de los Bizantinos, que todavía controlaban el este de Italia, y Lucca fue elegida como capital del ducado de Toscana porque tenía lejos las rutas que utilizaban como comunicaciones internas.
En cualquier caso, durante el período de la dominación lombarda, especialmente después que la reina Theodolinda se convertiera a la iglesia de Roma, un número alto de edificios religiosos fueron fundados en la ciudad, incluso el Baptisterio de San Giovanni (San Juan el Bautista) aunque, por supuesto, no en su forma y tamaño actual, y sus cimientos siguen siendo visibles en los "subterráneos" de la iglesia.
En el período Carolingio, siglo VIII, fue instalado un sistema feudal y Florencia se convirtió en un condado del santo imperio romano. Los datos hablan de un renacimiento de la ciudad en los tiempos de los Carolingios: en el siglo IX fue instalada una escuela eclesiástica pública y el puente sobre el río Arno, que había sido destruido previamente, fue reconstruido. Al final del siglo una nueva muralla de la ciudad fue construida, probablemente por el miedo de las invasiones húngaras. Este tercero sistema de muralla en parte seguía la línea de la vieja muralla romana, expandir al sur para incluir los suburbios que habían crecido con prosperidad, mientras el norte, por razones políticas, permanecía excluido: Baptisterio, santa Reparata, el Palacio del Obispo, y el adyacente Palatium Regis donde el emperador representante tenía su Tribunal de Justicia.
Hacia el final del siglo X, la Condesa Willa, viuda del Marquis de Toscana, que poseia un districto entero dentro de las murallas de la ciudad, fundó y donó dinero a una abadía benedictina en memoria de su marido, esta fue llamada "Abadia Fiorentina". El hijo de la condesa Willa, Hugo, contribuyó grandemente al desarrollo de la ciudad, gracias a la decisión de dejar Lucca. Su opción de habitar en la ciudad de Florencia reforzó su carácter administrativo.
