Dopo cinque anni, la Fiorentina del 2010-11 cambia tecnico e chiama Siniša Mihajlović per sostituire Cesare Prandelli, diventato C.T. della Nazionale italiana. Arrivano il portiere polacco Boruc, il centrocampista D’Agostino ed il laterale Cerci, ma Jovetić si infortuna gravemente nel ritiro estivo e dovrà saltare tutta la stagione. Nonostante l’ottimismo della società e dello stesso Mihajlović, la squadra non decolla, i giocatori della vecchia guardia sembrano aver dato il massimo ed il progetto stenta a ripartire. Senza il suo uomo di maggior valore, eliminata in modo incredibile dalla Coppa Italia ad opera del Parma, la Fiorentina non riesce a mostrare un gioco convincente né a garantire risultati accettabili.
Dopo il tira e molla estivo, Mihajlović decide di rimanere sulla panchina viola anche per il campionato 2011-12, ma si capisce che la situazione non è stabile. Alcuni esponenti dell’era Prandelli (Frey, Donadel, Mutu e Santana) salutano Firenze. Torna in campo Jovetić dopo l’infortunio, ma il mercato non è di quelli che fanno sognare (Cassani, Kharja, Lazzari, Munari, Rômulo, Nastasić, Santiago Silva). Il tecnico serbo viene rilevato, dopo una decina di gare in campionato da Delio Rossi. A gennaio l’attacco deve fare a meno anche di Gilardino, ceduto al Genoa, e di Santiago Silva, rispedito in Argentina. Dalla Juventus arriva Amauri, ma i risultati incostanti della squadra contribuiscono a creare un clima di nervosismo e sfiducia. La pesante sconfitta interna (0-5) contro la Juventus ed il litigio Rossi-Ljajić in diretta tv durante la partita contro il Novara (che costa il posto al tecnico) rappresentano il punto più basso della stagione viola. Dopo l’inevitabile esonero, il club manager ed ex giocatore viola, Vincenzo Guerini traghetta la squadra verso la salvezza nelle ultime due partite di campionato, prima che la società decida per un cambiamento radicale, sia negli uomini che nella filosofia di gioco.
Nell'estate del 2012 gli arrivi del nuovo direttore sportivo Pradè, del nuovo direttore tecnico Macia, ma soprattutto del nuovo mister Vincenzo Montella segnano una brusca e positiva inversione di tendenza. In campo, l'obiettivo è quello di divertire e far riavvicinare i tifosi alla squadra. A tal proposito il mercato estivo assume i contorni di una vera e propria rivoluzione. Arrivano nuovi calciatori funzionali alla nuova filosofia di gioco incentrata sulla tecnica e sul possesso della palla. Gonzalo Rodríguez, Roncaglia, Savić e Tomović diventano subito colonne della difesa, mentre il centrocampo, le cui chiavi vengono affidate alla sapiente regia di David Pizarro, viene imbottito di calciatori dai “piedi buoni” come Aquilani, Borja Valero, Cuadrado e Matías Fernández. L'attacco viene rinforzato dall'arrivo del marocchino El Hamdaoui e soprattutto dal clamoroso ritorno a Firenze di Luca Toni.
Il gioco tecnico e divertente proposto dalla squadra porta anche risultati immediati. Il piccolo debito con la buona sorte derivante dalla vittoria all'ultimo minuto alla prima giornata di campionato contro l'Udinese (doppietta di Jovetić) si trasforma ben presto in credito, dal momento che la Fiorentina lascia per strada punti importanti in modo sfortunato e talvolta incredibile (vedi pareggio di Parma o sconfitta casalinga con il Pescara subito dopo la sosta natalizia). Ma ormai il solco è tracciato e i viola danno spettacolo anche in trasferta, come testimoniano le otto vittorie esterne tra le quali spicca quella di San Siro contro il Milan. A pochi minuti dal termine del campionato, in un'ultima giornata ricca di emozioni e polemiche, sarà proprio la squadra rossonera a soffiare ai viola il terzo posto in classifica (ultimo utile per la partecipazione alla Champions League), nonostante l'ottimo bilancio finale di 70 punti. La Fiorentina si consola con il ritorno in Europa dopo quattro anni e soprattutto con il ritorno in campo di Giuseppe Rossi, il forte attaccante italo-americano ancora in fase di riabilitazione, acquistato a sorpresa durante la precedente sessione invernale di mercato.
Proprio “Pepito” Rossi e Mario Gómez, centravanti della nazionale tedesca acquistato dalla Fiorentina nell'estate 2013, sono gli attaccanti sui quali si punta per la stagione 2013-14, in sostituzione della coppia Jovetić-Ljajić (ceduti) e di Luca Toni (svincolato). Il tasso tecnico della squadra si alza ulteriormente con l'arrivo di Iličić dal Palermo, di Joaquín dal Málaga e dell'esperto Ambrosini dal Milan. Il bel gioco della Fiorentina di Montella è ormai collaudato e viene seguito con curiosità anche oltre confine. I tifosi sognano ed il trio di attacco Cuadrado-Rossi-Gómez promette sfracelli, ma alla terza giornata di campionato il centravanti tedesco si infortuna al ginocchio, mentre Giuseppe Rossi lo imita subito dopo la sosta natalizia. Il destino terrà sempre fuori, a turno, almeno uno dei due, e la squadra può soltanto ripetere il quarto posto del campionato precedente, con la soddisfazione della memorabile vittoria casalinga del 20 ottobre 2013 contro la Juventus per 4-2 grazie alla tripletta di Giuseppe Rossi.
L'eliminazione dalla Europa League per mano della Juventus e la sconfitta nella finale di Coppa Italia contro il Napoli nella triste serata di Roma contribuiscono ad aumentare i rimpianti per ciò che poteva essere e non è stato.
La stagione 2014-15 si apre con l'ennesimo infortunio di Giuseppe Rossi al ginocchio destro durante la preparazione estiva. Stavolta il ragazzo dovrà saltare tutta la stagione. La difesa della porta viene affidata al romeno Tătărușanu e per il centrocampo viene acquistato il croato Badelj. Il contributo assicurato da Mario Gómez e dai giovani Babacar e Bernardeschi è saltuario (anche a causa di infortuni) ed i risultati della squadra sono altalenanti. Al mercato invernale la società corre ai ripari e si assicura il prestito di Diamanti e Gilardino dai cinesi del Guangzhou ma soprattutto quello dell'egiziano Salah dal Chelsea. Quest'ultimo si inserisce in maniera istantanea nei meccanismi della squadra e risolve numerose partite con la sua tecnica e la sua velocità. I viola finiranno il campionato ancoraal quarto posto.
Ottimo cammino in Europa League e in Coppa Italia. In entrambi i casi saranno le vincitrici delle rispettive competizioni ad eliminare i viola ad un passo dalla finale: in Italia la Juventus supera la Fiorentina dopo una doppia, combattutissima, semifinale (non ostante la vittoria a Torino nella gara d'andata); in Europa un Siviglia molto pratico, elimina una Fiorentina troppo imprecisa sottoporta, penalizzata anche da alcuni fischi arbitrali nella gara di andata in Spagna.