La piena dell'Arno raggiunse l'Istituto intorno alle ore 12,00 del 4 novembre 1966, allagando tutti i seminterrati, i locali del piano terreno e la centrale elettrica.
Nei seminterrati, quelli prospicienti via degli Alfani, quelli di via dei Fibbiai e di via della Colonna, la violenza dell'acqua provocò danni strutturali (l'acqua arrivò ad una altezza di 1,5 m) e  andarono persi enorme quantità di scorte alimentari, medicinali, vestiario e biancheria, prodotti dietetici per l'infanzia, macchinari, attrezzature per bambini (seggioloni, box).
L'ondata di piena non raggiunse la porta principale dell'Istituto su piazza SS. Annunziata, grazie alla gradinata che impedì all'acqua di raggiungere il livello, anche se il lastronato del Cortile degli Uomini, il portico e la gradinata stessa rimasero comunque danneggiati e furono sottoposti al restaura.
Il piano terreno, soprattutto la zona del giardino interno, fu la parte più colpita perché più bassa rispetto al corpo storico dell'edificio: l'acqua, arrivata a grande velocità da via della Colonna e da via degli Alfani, invase la lavanderia, la cucina bambini e i loro alloggi (Nido, Sezione Guidi e sezione Divezzi).
Il giorno dopo la tragedia, l'Amministrazione varò un piano per ripristinare quanto prima le strutture dei servizi essenziali per l'espletamento dei propri compiti istituzionali, primi fra tutti gli alloggi dei bambini, momentaneamente allontanati dalla sede e ospitati in altri Istituti cittadini per dar corso ai lavori. Di comune intesa, il Genio Civile e l’Amministrazione ospedaliera stilarono un primo piano di intervento, sebbene passibile di variazioni di priorità; le scelte da compiere non erano facili dal momento che l’Amministrazione doveva tener conto anche del vasto programma di ristrutturazone della sede, presentato al Consiglio di Amministrazione già anni prima. Il progetto, a firma di Guido Morozzi della Soprintendenza di Firenze, oltre a tener conto delle nuove esigenze istituzionali aveva l’obiettivo di riportare alle antiche e originarie linee brunelleschiane tutta la parte storica dell’Istituto. Per questo l’Amministrazione incaricò lo Studio di Luigi Tendi di eseguire una perizia che prevedesse interventi intimamente connessi con le esigenze del più vasto programma di ristrutturazione. I lavori di recupero dei danni post alluvione ebbero la loro conclusione con il progetto di Morozzi, che riuscì a termine l’ambiziosa opera anche grazie ai sostegni finanziari ricevuti dallo Stato Italiano, dal Governo Canadese e dall’Ente Cassa di risparmio di Firenze.