I 1418 annoncerede Opera del Duomo en offentlig konkurrence om opførelsen af kuplen med en smuk pris på 200 guldfloriner—og et skud på evig berømmelse—for vinderen. Tidens førende arkitekter strømmede til Florence for at præsentere deres ideer. Efter mange usikkerheder gik Opera del Duomo med på at gøre Filippo Brunelleschi til superintendent for kuppelprojektet og udnævnte Lorenso Ghiberti, Brunelleschis Guldsmed, som medinspektør. De to mænd havde været rivaler siden 1401, da de havde kæmpet for en anden berømt kommission, de nye bronsdøre til det florentinske Baptistery. Ghiberti havde vundet. Nu blev Brunelleschi, hvis design til kuplen var blevet accepteret direkte, tvunget til at arbejde side om side med sin galopperende succesrige rival. Opførelsen af kuplen begyndte den 7.August 1420. Den sædvanlige måde at bygge en bue eller kuppel på var at støtte den med stilladser kaldet "Centrering."Det åbne rum i katedralen var dog 42 meter bredt, og Florentinerne ønskede en høj, skyhøje kuppel. Alt træ i Toscana ville ikke have været tilstrækkeligt til at foretage centreringen. Brunelleschi endte med at bygge kuplen uden stillads på en sådan måde, at den støttede sig selv, efterhånden som arbejdet skred frem. Brunelleschis løsninger til kuplen var geniale, innovative og dyre. Det første problem, der skulle løses, var rent teknisk: ingen kendte løftemekanismer på det tidspunkt var i stand til at hæve og manøvrere de enormt tunge materialer, han måtte arbejde med, inklusive sandstenbjælker, så langt væk fra jorden. Her overgik Brunelleschi sig selv. Han opfandt en tre-trins hejs med et indviklet system af gear, remskiver, skruer og drivaksler drevet af et enkelt okse, der drejede en træstyrer og castello, en 65 fod høj kran med en række modvægte og håndskruer for at flytte belastninger sideværts, når de var blevet hævet til den rigtige højde. Kuppelens ottekantede form er bestemt inspireret af dåbens. Hele strukturen af kuplen er designet til at være let og slank i både form og stof. Faktisk fra en ottekantet tromle af kuplen står otte segmenter, sejlene, arrangeret på to skaller adskilt af et mellemrum. Brunelleschi vævede regelmæssige kurser med sildebensmurværk, lidt kendt før sin tid, ind i kuppelens struktur, hvilket gav hele strukturen yderligere soliditet. Gennem årene med byggeri brugte Brunelleschi mere og mere tid på arbejdspladsen. Han overvågede produktionen af mursten af forskellige dimensioner og deltog i udbuddet af valg sten og marmor fra stenbrudene. Han ledede en hær af murere og Stenhuggere, tømrere, smede, bly piskeris, tøndemagere, Vandbærere, og andre håndværkere. Hoved blandt de elementer, der udgør kuplen, er dens brug af den gyldne andel, som var på mode på det tidspunkt. Når du overvejer dette mesterværk, bemærker du, at dets bygherrer har brugt balance og harmoni mellem hver af dens dele. Hvert arkitektonisk element bidrager til kuppelens stabilitet, som den står uden understøttende strukturer. Et andet af disse afgørende elementer er lygten, på toppen af hvilken hviler bronskuglen bygget af Verrocchio i 1472. For at placere bolden brugte de maskiner opfundet af Brunelleschi. Den unge Leonardo da Vinci var blandt lærlingerne, der hjalp i denne vanskelige operation. Kuplen er et mesterværk af skønhed og teknik, en banebrydende konstruktion for sin tid, og på mange måder forbliver uovertruffen. Som en mester i illusioner var Brunelleschi kendt i Florence for at have fået folk til at tro på ting, der ikke eksisterede. Opførelsen af dens kuppel udløste mange års debat om, hvad der var det "magiske trick", der gav det resultat, der lå foran alle, dvs. hvordan den ottekantede kuppel var i stand til at stå! Selv i dag, selvom der er udført omfattende undersøgelser, og der er gjort mange nye opdagelser, er der stadig en debat om, hvad der var den geniale løsning, som arkitekten Filippo Brunelleschi fandt.