Le village de Castelfiorentino s'est développé entre Moyen Âge et Renaissance autour de deux noyaux principaux : l'un dans la vallée, plus moderne, avec l'Église-musée de Santa Verdiana et le musée homonyme ; l'autre, plus élevé et plus ancien, avec la Collection d'art communale et deux cycles de fresques de Benozzo Gozzoli. Les fresques sont aujourd'hui conservées dans un nouveau musée au cœur de la ville, le Musée Benozzo Gozzoli, qui expose d'autres fresques et des sinopie réalisées entre 1484 et 1490.
Dans le cycle de fresques de Castelfiorentino, le maître, élève de Beato Angelico, expérimente l'invention de la sinopia – un dessin préparatoire utilisé pour la peinture à fresque et les mosaïques. Les meilleurs exemples de ses anciennes œuvres au sein de petits villages de la Valdelsa, lui ont permis d'approfondir une veine poétique extraordinaire.
Hors des murs, nous trouvons l'Église de San Francesco, un rare exemple d'architecture gothique en Valdelsa, et le Sanctuaire de Santa Verdiana, reconnaissable à son imposante façade baroque. L'édifice est dédié à la sainte patronne de Castelfiorentino, qui au XIIIe siècle vécut pendant plus de trente ans dans la solitude d'une petite cellule, encore visible à l'intérieur de l'église. Aujourd'hui, le panneau représentant la sainte est conservé au musée de Santa Verdiana avec d'autres chefs-d'œuvre tels que la Vierge à l'Enfant de Cimabue et de Taddeo Gaddi.