1418. Opera del Duomo raspisala je javni konkurs za izgradnju Kupole sa zgodnom nagradom od 200 zlatnih florina—i hicem na vječnu slavu—za pobjednika. Vodeći arhitekti tog vremena pohrlili su u Firencu da predstave svoje ideje. Nakon mnogo neizvjesnosti, opera del Duomo je pristala da Filippo Brunelleschi postane nadzornik projekta kupola i imenovao Lorenza Ghibertija, Brunelleschijevog kolege zlatara, za kopredsjednika. Dvojica muškaraca bili su rivali od 1401. godine, kada su se borili za još jednu slavnu komisiju, nova bronzana vrata za firentinsku krstionicu. Giberti je pobijedio. Sada je Brunelleschi, čiji je dizajn kupole bio potpuno prihvaćen, bio prisiljen raditi rame uz rame sa svojim galantno uspješnim suparnikom. Izgradnja kupole započela je 7. avgusta 1420. Uobičajeni način za izgradnju luka ili kupole bio je podrška skelama pod nazivom "centriranje."Međutim, otvoreni prostor u katedrali bio je širok 42 metra, a Florentinci su htjeli visoku, uzdizajuću kupolu. Svo drvo u Toskani ne bi bilo dovoljno da napravi centriranje. Brunelleschi je na kraju izgradio kupolu bez skela na takav način da se podržavao kako je posao napredovao. Brunelleschijeva rješenja za kupolu bila su genijalna, inovativna i skupa. Prvi problem koji je riješen bio je čisto tehnički: u to vrijeme nisu bili poznati mehanizmi za podizanje i manevriranje enormno teških materijala s kojima je morao raditi, uključujući pješčane grede, tako daleko od zemlje. Ovdje je Brunelleschi nadmašio sebe. Izumio je trostepenu dizalicu sa zamršenim sistemom zupčanika, remenica, vijaka i driveshaftova koje pokreće jedan jaram volova koji okreće drveni kormilo i castello, dizalicu visine 65 stopa sa nizom protuteža i šrafova za ruke kako bi se bočno kretali nakon što su podignuti na desnu visinu. Osmougaoni oblik kupole definitivno je inspirisan onim Baptistryjem. Čitava struktura kupole dizajnirana je tako da bude lagana i tanka i u obliku i u supstanci. Zapravo, od osmougaonog bubnja kupole stoje osam segmenata, jedra, raspoređena na dvije granate odvojene prostorom. Brunelleschi vove redovne kurseve cigle od herringbone, malo poznat prije svog vremena, u teksturu kupole, dajući cijeloj strukturi dodatnu čvrstinu. Tokom godina izgradnje Brunelleschi je proveo sve više i više vremena na radnom mjestu. Nadgledao je proizvodnju cigle različitih dimenzija i prisustvovao isporuci kamena i mermera sa kamenoloma. Predvodio je vojsku zidara i kamenorezaca, stolara, kovača, olovnih letelica, barrelmakera, nosača vode i drugih zanatlija. Glavni među elementima koji čine kupolu je njegova upotreba zlatne proporcije, koja je u to vrijeme bila u modi. U razmišljanju o ovom remek-djelu primjećujete da su njegovi graditelji koristili ravnotežu i sklad između svakog od njegovih dijelova. Svaki arhitektonski element doprinosi stabilnosti kupole jer stoji bez potpornih struktura. Još jedan od ovih ključnih elemenata je fenjer, na kojem počiva Bronzana Lopta koju je izgradio Verrocchio 1472.godine. Za pozicioniranje lopte koristili su mašine koje je izumio Brunelleschi. Mladi Leonardo Da Vinci shvatio je među šegrtima koji su pomogli u ovoj teškoj operaciji. Kupola je remek-djelo ljepote i inženjerstva, pionirska konstrukcija za svoje vrijeme, a na mnogo načina ostaje bez premca. Kao majstor iluzija, Brunelleschi je bio poznat u Firenci da je učinio ljude da vjeruju u stvari koje ne postoje. Izgradnja njegove kupole izazvala je godine rasprave o tome koji je bio "magični trik" koji je pružio rezultat koji je ležao pred svima, tj. kako je osmerokutna kupola mogla stajati! Čak i danas, iako su provedene opsežne studije i napravljena su mnoga nova otkrića, još uvijek postoji rasprava o tome koje je genijalno rješenje pronašao arhitekta Filippo Brunelleschi.