Le Cappelle medicee costituiscono un vasto insieme di ambienti di grande interesse storico e architettonico.
L'ampia cripta, contenente le tombe della famiglia Medici, è stata costruita su disegno del Buontalenti.
I sotterranei della chiesa di San Lorenzo, restaurati in seguito all'alluvione, custodiscono la semplice e suggestiva Tomba di Cosimo il Vecchio, inserita nel pilastro centrale, e la Tomba di Donatello, la cui lapide è stata posta in epoca successiva, nel secolo XVIII.

Una scala porta alla Cappella dei Principi, il sontuoso mausoleo dei granduchi della famiglia Medici, cominciata da Matteo Nigetti nel 1604 su disegno di Don Giovanni de' Medici, figlio naturale di Cosimo I.
Il progetto iniziale subì notevoli alterazioni ad opera del Buontalenti. Si tratta di un vasto ambiente ottagonale di 28 metri di diametro, preziosamente rivestito di marmi scuri e pietre dure, che destò stupore e ammirazione sin dall'epoca della sua costruzione.
L'intarsio della zoccolatura, in pietre dure, madreperla, lapislazzuli e corallo, riproduce gli stemmi di sedici città toscane.
I sei monumentali sarcofaghi addossati ai muri sono dei granduchi Ferdinando II, Cosimo II, Ferdinando I, Cosimo I, Francesco I e Cosimo III. Il secondo e il terzo sarcofago sono sormontati da colossali statue in bronzo dorato realizzate da Pietro e Ferdinando Tacca fra il 1626 e il 1642.
Le integrazioni e le opere di abbellimento delle Cappelle proseguirono: è del 1836 la decorazione della cupola ad opera di Pietro Benvenuti, con temi biblici e neotestamentari.

Un corridoio unisce la Cappella dei Principi alla Sagrestia Nuova, così denominata per distinguerla dalla Sagrestia del Brunelleschi; a differenza di quest'ultima, la Sagrestia Nuova è stata concepita sin dall'inizio come cappella funeraria della famiglia Medici: furono il cardinale Giulio de' Medici e il papa Leone X ad idearla.
Michelangelo cominciò a costruirla nel 1521, e nel 1524 aveva già realizzato la volta, ma la cacciata dei Medici nel 1527 e l'assedio di Firenze provocarono il rallentamento dei lavori.
La partenza definitiva di Michelangelo da Firenze nel 1534 fece sì che l'opera restasse incompiuta: l'artista riuscì ad ultimare soltanto due dei monumenti sepolcrali, il Sepolcro di Lorenzo, duca di Urbino, e il Sepolcro di Giuliano di Nemours.