1418. Opera del Duomo raspisala je javni natječaj za izgradnju kupole s pozamašnom nagradom od 200 zlatnih Florina — i šansom za vječnu slavu — za pobjednika. Vodeći arhitekti tog vremena okupili su se u Firenci kako bi predstavili svoje ideje. Nakon mnogo sumnje, Opera del Duomo pristala je imenovati Filippa Brunelleschija za nadzornika projekta kupole i imenovala Lorenza Ghibertija, Brunelleschijevog kolegu u zlatarstvu, za supervizora. Dvojica muškaraca suparnici su od 1401.godine, kada su se natjecali za još jednu izvanrednu narudžbu, Nova brončana vrata za firentinsku krstionicu. Ghiberti je pobijedio. Sada je Brunelleschi, čiji je dizajn kupole odmah prihvaćen, bio prisiljen raditi rame uz rame sa svojim prkosno uspješnim suparnikom. Izgradnja kupole započela je 7.kolovoza 1420. Uobičajeni način za izgradnju luka ili kupole bio je podupiranje skelom koja se naziva "centriranje". Međutim, otvoreni prostor u katedrali bio je širok 42 metra, a Firentinci su željeli visoku, plutajuću kupolu. Sve drvo u Toskani ne bi bilo dovoljno za centriranje. Brunelleschi je na kraju sagradio kupolu bez skele na takav način da se podržavao dok je radio. Brunelleschijeva rješenja za kupolu bila su originalna, inovativna i skupa. Prvi problem koji je trebalo riješiti bio je čisto tehnički: nijedan tada poznati mehanizam za podizanje nije mogao podići i premjestiti nevjerojatno teške materijale s kojima je morao raditi, uključujući grede od pješčenjaka, tako daleko od tla. Ovdje je Brunelleschi nadmašio sebe. Izumio je dizalicu s tri brzine sa složenim sustavom zupčanika, remenica, vijaka i pogonskih osovina, pogonjenih jednim timom volova koji okreću drvenu frezu, i Castello, dizalicu od 65 stopa s nizom protuutega i ručnih vijaka za bočno pomicanje tereta nakon što su podignuti na odgovarajuće visine. Osmerokutni oblik kupole definitivno je nadahnut oblikom krstionice. Cijela struktura kupole dizajnirana je tako da bude lagana i tanka i u obliku i u sadržaju. Zapravo, osam segmenata jedra strši iz osmerokutnog bubnja kupole, raspoređenih na dvije školjke odvojene razmakom. Brunelleschi je u teksturu kupole utkao redovite redove opeke od riblje kosti, malo poznate prije njegova vremena, dajući cijeloj strukturi dodatnu čvrstoću. Tijekom godina gradnje Brunelleschi je sve više vremena provodio na gradilištu. Nadzirao je proizvodnju opeke različitih veličina i brinuo se o opskrbi odabranim kamenom i mramorom iz kamenoloma. Vodio je vojsku klesara i klesara, stolara, kovača, olovnih batina, proizvođača bačvi, nosača vode i drugih obrtnika. Glavni među elementima koji čine kupolu je upotreba zlatnog omjera koji je u to vrijeme bio u modi. Razmišljajući o ovom remek-djelu, primijetite da su njegovi graditelji koristili ravnotežu i sklad između svakog njegovog dijela. Svaki arhitektonski element doprinosi stabilnosti kupole jer stoji bez potpornih konstrukcija. Još jedan od ovih važnih elemenata je fenjer, na čijem vrhu počiva brončana kugla koju je Verrocchio sagradio 1472.godine. Za pozicioniranje lopte koristili su strojeve koje je izumio Brunelleschi. Mladi Leonardo Da Vinci pojavio se među šegrtima koji su pomagali u ovoj složenoj operaciji. Kupola je remek-djelo ljepote i inženjerstva, revolucionarna građevina za svoje vrijeme i na mnogo načina ostaje nenadmašna. Kao majstor iluzija, Brunelleschi je u Firenci bio poznat po tome što je ljude tjerao da vjeruju u stvari koje nisu postojale. Izgradnja njegove kupole izazvala je dugogodišnju raspravu o tome što je bio "čarobni trik" koji je osigurao rezultat koji je svima bio na vidiku-to jest, kako je osmerokutna kupola mogla odoljeti! I danas, unatoč opsežnim istraživanjima i mnogim novim otkrićima, još uvijek se vodi rasprava o tome što je bilo genijalno rješenje koje je pronašao arhitekt Filippo Brunelleschi.