W 1418 Opera del Duomo ogłosiła publiczny konkurs na budowę kopuły z nagrodą w wysokości 200 złotych florenów - i szansą na wieczną sławę-dla zwycięzcy. Czołowi architekci tamtych czasów przybywali do Florencji, aby zaprezentować swoje pomysły. Po wielu wątpliwościach Opera del Duomo zgodziła się uczynić Filippo Brunelleschiego kuratorem projektu cupola i wyznaczyła Lorenzo Ghibertiego, kolegę złotnika Brunelleschiego, na współreżysera. Obaj mężczyźni byli rywalami od 1401 roku, kiedy to rywalizowali o kolejną znakomitą prowizję, nowe brązowe drzwi do florenckiej Baptysterium. Ghiberti wygrał. Teraz Brunelleschi, którego projekt kopuły został zaakceptowany od razu, został zmuszony do współpracy ze swoim dzielnie odnoszącym sukcesy rywalem. Budowę kopuły rozpoczęto 7 sierpnia 1420 roku. Typowym sposobem budowy łuku lub kopuły było podparcie go rusztowaniem zwanym " centrowaniem."Jednak Otwarta przestrzeń w katedrze miała 42 metry szerokości, a Florentyńczycy chcieli wysokiej, wznoszącej się kopuły. Całe drewno w Toskanii nie wystarczyłoby do centrowania. Brunelleschi zakończył budowę kopuły bez rusztowania w taki sposób, że podtrzymywała się w miarę postępu prac. Rozwiązania firmy Brunelleschi dla kopuły były pomysłowe, innowacyjne i drogie. Pierwszy problem do rozwiązania był czysto techniczny: żadne znane mechanizmy podnoszące nie były w stanie podnieść i manewrować ogromnie ciężkimi materiałami, z którymi musiał pracować, w tym belkami z piaskowca, tak daleko od ziemi. Tutaj Brunelleschi prześcignął samego siebie. Wynalazł trzybiegowy wciągnik z skomplikowanym systemem kół zębatych, kół pasowych, śrub i wałów napędowych napędzanych pojedynczym jarzmem Wołów obracających drewnianą Rumpel i castello, 65-metrowy dźwig z serią przeciwwag i śrub ręcznych, aby przesuwać ładunki w bok, gdy zostaną podniesione na odpowiednią wysokość. Ośmiokątny kształt kopuły jest zdecydowanie inspirowany kształtem Baptysterium. Cała konstrukcja kopuły ma być lekka i smukła zarówno w formie, jak i treści. W rzeczywistości z ośmiobocznego bębna kopuły stoi osiem segmentów, żagli, ułożonych na dwóch muszlach oddzielonych przestrzenią. Brunelleschi wplótł w teksturę kopuły regularne kursy cegieł w jodełkę, mało znanych przed jego czasem, nadając całej konstrukcji dodatkową solidność. Przez lata budowy Brunelleschi spędzał coraz więcej czasu na budowie. Nadzorował produkcję cegieł o różnych wymiarach i dbał o dostawę wybranego kamienia i marmuru z kamieniołomów. Dowodził armią murarzy i kamieniarzy, cieśli, kowali, ołowiarzy, barrelmakerów, nosicieli wody i innych rzemieślników. Głównym z elementów składających się na kopułę jest wykorzystanie złotej proporcji, która była w modzie w tym czasie. Rozważając to arcydzieło, można zauważyć, że jego Budowniczowie wykorzystali równowagę i harmonię między każdą z jego części. Każdy element architektoniczny przyczynia się do stabilności kopuły, ponieważ stoi bez konstrukcji nośnych. Innym z tych kluczowych elementów jest latarnia, na której spoczywa brązowa kula zbudowana przez Verrocchio w 1472 roku. Do Ustawienia piłki używali maszyn wynalezionych przez Brunelleschiego. Młody Leonardo da Vinci znalazł się wśród uczniów, którzy pomogli w tej trudnej operacji. Kopuła jest arcydziełem piękna i inżynierii, pionierską konstrukcją na swój czas i pod wieloma względami pozostaje niezrównana. Jako mistrz iluzji, Brunelleschi był znany we Florencji, że sprawiał, że ludzie wierzyli w rzeczy, które nie istnieją. Budowa jej kopuły wywołała lata dyskusji na temat tego jaka była "magiczna sztuczka" która dostarczyła wynik jaki leżał przed wszystkimi, tj. jak ośmioboczna kopuła była w stanie stanąć! Nawet dzisiaj, mimo że przeprowadzono szeroko zakrojone badania i dokonano wielu nowych odkryć, wciąż toczy się debata na temat tego, jakie genialne rozwiązanie znalazł architekt Filippo Brunelleschi.