I sin første sæson tilbage i Serie A kæmpede klubben dog for at undgå nedrykning og sikrede sig kun overlevelse på sæsonens sidste dag på head-to-head-rekord mod Bologna og Parma. I 2005 besluttede Della Valle at udnævne Pantaleo Corvino som ny sportsdirektør, efterfulgt af udnævnelsen af Cesare Prandelli som hovedtræner i den følgende sæson. Klubben lavede flere signeringer i løbet af sommertransfermarkedet, især Luca Toni og Sébastien Frey. Dette drastiske træk gav dem en fjerdeplads med 74 point og en Champions League-kvalifikationsrundebillet. Toni scorede 31 mål i 38 optrædener, den første spiller til at passere 30-målskærmen siden Antonio Valentin Angelillo i 1958-59 sæsonen
, for hvilket han blev tildelt den europæiske gyldne fodboldstøvle. Den 14. juli 2006 blev Fiorentina dog fordrevet til Serie B på grund af deres involvering i Serie A-kampfixingskandalen i 2006 og fik en straf på 12 point. Holdet blev genindsat i Serie A på appel, men med en 19-point straf for 2006-07 sæsonen. Holdets Champions League-plads i 2006/07 blev også tilbagekaldt. Efter sæsonstart blev Fiorentinas straf reduceret fra 19 point til 15 efter appel til de italienske domstole. På trods af denne straf formåede de at sikre en plads i UEFA Cup.