Am 25. November 2002 präsentierte der Vorsitzende der italienischen Eisenbahngesellschaft TAV, Leonardo Domenici, gemeinsam mit Norman Foster (London) im Palazzo Vecchio in Florenz die Pläne für einen neuen Bahnhof. Die „Stazione Alta Velocità di Firenze“ soll für eine Bausumme von 240 Millionen Euro im Stadtteil Belfiore errichtet werden. Der Entwurf von Foster, der gemeinsam mit Ove Arup Engineering (London) erarbeitet wurde, war Anfang Oktober diesen Jahres als Siegerprojekt aus einem beschränkten Wettbewerb hervorgegangen. Arata Isozaki (Japan) kam auf den zweiten und Santiago Calatrava (Spanien) auf den dritten Platz. Weitere Teilnehmer des Wettbewerbes waren Gabetti + Isola, Leonardi Ricci, Jean Nouvel und Renzo Piano.
Der neue, 45.000 Quadratmeter große unterirdische Terminal wird eine Verbindung zum bestehenden Bahnhof Santa Maria Novella herstellen. Das Gleisniveau liegt 25 Meter unter der Erde, der Bahnhofsraum besteht aus einer einzigen riesigen Halle: 454 Meter lang und 52 Meter breit. Überdacht wird das Volumen von einer sogenannten „Cut-and-Cover“-Konstruktion, vergleichbar mit der beim Canary-Wharf-Bahnhof zum Einsatz gekommenen Technik.
Aufgrund der zu bewältigenden Dimensionen setzte das Büro Foster in seinem Beitrag auf „Klarheit in der Lenkung der Passagierströme, Dauerhaftigkeit und einfache Instandhaltung“ des Gebäudes. Die zum Einsatz kommenden Materialien werden heller Beton, Edelstahl und Glas sein. Die Reisenden sollen vom unterirdischen Bahnsteig über Aufzüge, Rolltreppen und geneigte Rollbänder wieder an die Erdoberfläche befördert werden.