El 1418, L'Òpera del Duomo va anunciar un concurs públic per a la construcció de la cúpula amb un bell premi de 200 florins d'or—i un tir de fama eterna—per al guanyador. Els principals arquitectes de L'època van acudir a Florència per presentar les seves idees. Després de moltes incerteses, L'Òpera del Duomo va acordar fer de Filippo Brunelleschi el superintendent del projecte cúpula i va nomenar Lorenzo Ghiberti, company d'orfebre Brunelleschi, com a co-superintendent. Els dos homes havien estat rivals des de 1401, quan havien competit per a una altra comissió brillant, les noves portes de bronze per al Baptisteri Florentí. Ghiberti havia guanyat. Ara Brunelleschi, el disseny del qual per a la cúpula havia estat acceptat, es va veure obligat a treballar al costat del seu rival galantament reeixit. La Construcció de la Cúpula va començar el 7 d'agost de 1420. La forma habitual de construir un arc o cúpula era donar-li suport amb bastides anomenades " centring."No obstant això, l'espai obert de la catedral tenia 42 metres d'amplada, i els Florentins volien una cúpula alta i elevada. Tota La fusta De La Toscana no hauria estat suficient per fer el centre. Brunelleschi va acabar construint la cúpula sense bastides de tal manera que es va mantenir a mesura que avançava l'obra. Les solucions de Brunelleschi per a la cúpula eren enginyoses, innovadores i cares. El primer problema que es va resoldre va ser purament tècnic: no hi havia mecanismes d'elevació coneguts en aquell moment que fossin capaços d'aixecar i maniobrar els materials enormement pesats amb què havia de treballar, incloent bigues de gres, fins ara fora del sòl. Aquí Brunelleschi es va superar a si mateix. Va inventar un polipast de tres velocitats amb un intricat sistema d'engranatges, politges, cargols i paletes accionades per un sol jou de bous girant un timó de fusta i el castello, una grua de 65 peus d'alçada amb una sèrie de contrapesos i cargols de mà per moure càrregues lateralment una vegada que s'havien elevat a l'alçada correcta. La forma octogonal de la cúpula està definitivament inspirada en la Del Baptisteri. Tota l'estructura de la cúpula està dissenyada per ser lleugera i prima tant en forma com en substància. De fet, d'un tambor octogonal de la cúpula hi ha vuit segments, les veles, disposades sobre dues petxines separades per un espai. Brunelleschi va fer cursos regulars de maó d'espiga, poc coneguts abans del seu temps, en la textura de la cúpula, donant a tota l'estructura una solidesa addicional. Al llarg dels anys De construcció Brunelleschi va passar cada vegada més temps en el lloc de treball. Va supervisar la producció de maons de diverses dimensions i va atendre el subministrament de pedra i marbre d'elecció de les pedreres. Va dirigir un exèrcit de paletes i picapedrers, fusters, ferrers, batedors de plom, barrelers, portadors d'aigua i altres artesans. Entre els elements que componen la cúpula destaca el seu ús de la proporció àuria, que estava de moda en aquell moment. En contemplar aquesta obra mestra, s'observa que els seus constructors han fet ús de l'equilibri i l'harmonia entre cadascuna de les seves parts. Cada element arquitectònic contribueix a l'estabilitat de la cúpula, ja que s'aixeca sense estructures de suport. Un altre d'aquests elements crucials és la llanterna, sobre la qual descansa la bola de bronze construïda Per Verrocchio el 1472. Per posicionar la pilota van utilitzar màquines inventades Per Brunelleschi. El Jove Leonardo Da Vinci figura entre els aprenents que van ajudar en aquesta difícil operació. La cúpula és una obra mestra de bellesa i enginyeria, una construcció pionera per al seu temps, i en molts aspectes segueix sent inigualable. Brunelleschi era Conegut A Florència per fer creure a la gent en coses que no existien. La construcció de la seva cúpula va provocar anys de debat sobre quin era el "truc de màgia" que proporcionava el resultat que estava davant de tothom, és a dir, com la cúpula octogonal era capaç d'aguantar! Encara avui, tot i que s'han dut a terme amplis estudis i s'han fet molts nous descobriments, encara hi ha un debat sobre quina va ser la solució enginyosa trobada per L'arquitecte Filippo Brunelleschi.