Cel mai important capitol din viaţa lui Adrian Mutu a fost cel de la Fiorentina, unde a devenit idolul suporterilor încă din primul sezon.
Pe 8 iunie 2006, Fiorentina anunţa cumpărarae lui Adrian Mutu pentru 8 milioane de euro de la retrogradata Juventus. Atacantul român s-a întîlnit din nou cu fostul antrenor al celor de la Parma, Cesare Prandelli. Mutu a format un cuplu de atac incredibil cu Luca Toni şi au reuşit împreună 32 de goluri în sezonul 2006-2007. A fost ales cel mai bun jucător străin din Il Calcio, datorită celor 16 goluri şi 8 pase în cele 33 de partide.
În iulie 2008 AS Roma a făcut o ofertă de 18 milioane de euro pentru român, dar Mutu a decis să rămînă la Florenţa. Pe 30 noiembrie 2008, la meciul 200 în Serie A, Adi Mutu a fost căpitanul echipei chiar împotriva romanilor. Pe 2 februarie 2009 a înscris golurile 100 şi 101 împotriva celor de la Bologna. Pe 15 februarie a înscris primul hattrick pentru Fiorentina, cînd echipa sa era condusă cu 3-0 de Genoa.
Pe 29 ianuarie 2010 Mutu a picat un test antidoping după un meci cu Lazio din Cupa Italiei, în care a înscris de două ori. Atacantul a primit o suspendare de un an.