Sousa (44) merupakan mantan gelandang Portugal dan pernah melatih sejumlah klub Inggris yakni Queens Park Rangers, Swansea City, dan Leicester City.
Ia meninggalkan klub Swiss, Basel, pada pekan lalu setelah satu tahun mengarsiteki klub itu.
"Fiorentina dengan gembira mengumumkan bahwa pada hari ini telah tercapai kesepakatan dengan Paulo Sousa agar dia menjadi pelatih tim pertama yang baru," kata Fiorentina dalam pernyataan di situs resmi mereka.
"Sousa akan berada di Florence besok untuk melengkapi formalitas-formalitas."
Sousa, yang menjuarai Liga Champions sebagai pemain bersama Juventus dan Borussia Dortmund, menggantikan mantan penyerang Italia Vincenzo Montella.
Montella dipecat Fiorentina pada awal bulan ini setelah membawa mereka finis di peringkat keempat di Liga Italia musim lalu, demikian Reuters.