Nun steigen Sie in das Obergeschoss, und die Stimmung wandelt sich vollständig. Die Cappella dei Principi ist das Mausoleum der Großherzöge der Medici, von denen sechs hier bestattet sind. Sie ist ein seltenes Beispiel des Barock in Florenz, mit einer mächtigen Kuppel und einem prunkvollen Innenraum, der als Denkmal der Größe der Medici konzipiert war. Die Entwürfe stammen von Don Giovanni de' Medici, einem natürlichen Sohn Cosimos I., der die Architektur in halbprofessioneller Weise ausübte. Skizzen wurden 1602 in einem informellen Wettbewerb eingereicht, und der Architekt Matteo Nigetti leitete den Bau von 1604 bis 1640, während der bereits alte Buontalenti die Pläne bei der Ausführung veränderte. Die Wände sind vollständig mit einer Marmorverkleidung bedeckt, die mit farbigen Marmorsorten und Halbedelsteinen eingelegt ist. Die Technik wurde in Florenz commessi genannt. Handwerker fügten Fragmente von Musterstein und Porphyr wie Puzzleteile zu Mustern zusammen, fast so, als male man mit Stein. Diese Arbeit war so anspruchsvoll, dass die großherzogliche Hartsteinwerkstatt, die Opificio delle Pietre Dure, eigens zu ihrer Ausführung gegründet wurde. Die Kuppel zeigt, wie lange sich das Projekt hinzog. Buontalentis Kuppel wurde 1604 begonnen und erst im zwanzigsten Jahrhundert vollständig fertiggestellt. Ihre Fresken malte Pietro Benvenuti zwischen 1828 und 1837, unter den Habsburg-Lothringern, die den Medici den Thron der Toskana abgelöst hatten. Ihre eigenen Gräber liegen in der darunterliegenden Lothringer-Krypta.