През 1418 г.операта дел Дуомо обявява публичен конкурс за изграждането на купола с красива награда от 200 златни Флорина—и изстрел към вечна слава—за победителя. Водещи архитекти от онова време се стичат във Флоренция, за да представят идеите си. След много несигурност операта дел Дуомо се съгласява да направи Филипо Брунелески управител на проекта купол и назначава Лоренцо Гиберти, другаря на Брунелески златар, за съуправител. Двамата мъже са съперници от 1401 г., когато се борят за друга знаменита комисия-новите бронзови врати за флорентинския Баптистерий. Гиберти спечели. Сега Брунелески, чийто дизайн за купола е приет напълно, е принуден да работи рамо до рамо с галантно успешния си съперник. Строежът на купола започва на 7 август 1420 година. Обичайният начин да се изгради арка или купол е да се поддържа със скеле, наречено "центриране"."Въпреки това, откритото пространство в катедралата беше широко 42 метра, а флорентинците искаха висок, извисяващ се купол. Целият дървен материал в Тоскана не би бил достатъчен за центрирането. Брунелески завършва изграждането на купола без скеле по такъв начин, че да се поддържа с напредването на работата. Решенията на Брунелески за купола са гениални, иновативни и скъпи. Първият проблем, който трябвало да бъде решен, бил чисто технически: по онова време не били известни механизми за повдигане и маневриране на изключително тежките материали, с които той трябвало да работи, включително греди от пясъчник, толкова далеч от земята. Тук Брунелески надмина себе си. Той изобретил тристепенен подемник със сложна система от зъбни колела, ролки, винтове и задвижващи валове, задвижвани от един хомот от волове, въртящи дървен лост и Кастело, 65-футов кран с поредица от противотежести и ръчни винтове за преместване на товарите странично, след като са били повдигнати на правилната височина. Осмоъгълната форма на купола определено е вдъхновена от тази на баптистерията. Цялата структура на купола е проектирана да бъде лека и тънка както по форма, така и по вещество. Всъщност, от осмоъгълен барабан на купола стоят осем сегмента, платната, подредени върху две черупки, разделени от пространство. Брунелески вплита редовни курсове от тухлена зидария от рибена кост, малко известни преди времето си, в текстурата на купола, като придава на цялата структура допълнителна здравина. През годините на строителството Брунелески прекарва все повече време на работната площадка. Той ръководи производството на тухли с различни размери и се грижи за доставката на избрани камъни и мрамор от кариерите. Той ръководи армия от зидари и каменоделци, дърводелци, ковачи, оловни мелачи, ковачи на бъчви, водни носачи и други занаятчии. Главен сред елементите, които изграждат купола, е използването на златната пропорция, която е на Мода по това време. Съзерцавайки този шедьовър, забелязвате, че неговите строители са използвали баланса и хармонията между всяка от неговите части. Всеки архитектурен елемент допринася за стабилността на купола, тъй като стои без носещи конструкции. Друг от тези решаващи елементи е фенерът, върху който почива бронзовата топка, построена от Верокио през 1472 г. За да позиционират топката, те използват машини, изобретени от Брунелески. Младият Леонардо Да Винчи фигурира сред чираците, които помагат в тази трудна операция. Куполът е шедьовър на красотата и инженерството, пионерска конструкция за времето си и в много отношения остава несравним. Като майстор на илюзиите, Брунелески е известен във Флоренция с това, че е накарал хората да вярват в неща, които не съществуват. Изграждането на купола му предизвика години на дебати за това какъв е "магическият трик", който осигури резултата, който лежеше пред всички, т. е. как осмоъгълният купол можеше да стои! Дори и днес, въпреки че са извършени обширни проучвания и са направени много нови открития, все още има дебат за това какво е гениалното решение, намерено от архитекта Филипо Брунелески.