1418—ban az Opera del Duomo nyilvános versenyt hirdetett a kupola építésére, 200 arany florin szép díjjal—és örök hírnévre tett lövéssel-a győztesnek. Az akkori vezető építészek Firenzébe özönlöttek ötleteik bemutatására. Sok bizonytalanság után az Opera del Duomo beleegyezett abba, hogy Filippo Brunelleschit a kupola projekt felügyelőjévé tegye, és Lorenzo Ghibertit, Brunelleschi aranyműves társát nevezte ki társfelügyelőnek. A két férfi 1401 óta volt rivális, amikor egy másik jeles megbízásért, a firenzei Keresztelőkápolna új bronzajtóiért versengtek. Ghiberti nyert. Most Brunelleschi, akinek a kupola tervét egyenesen elfogadták, kénytelen volt együtt dolgozni gálánsan sikeres riválisával. A kupola építése 7 Augusztus 1420-án kezdődött. A boltív vagy kupola felépítésének szokásos módja az volt, hogy állványokkal támasztották alá, úgynevezett " Központosítás."A katedrális nyitott tere azonban 42 méter széles volt, és a firenzeiek magas, szárnyaló kupolát akartak. Toszkánában az összes faanyag nem lett volna elegendő a központosításhoz. Brunelleschi végül állványozás nélkül építette a kupolát oly módon, hogy a munka előrehaladtával eltartotta magát. Brunelleschi megoldásai a kupolához ötletesek, innovatívak és drágák voltak. Az első megoldandó probléma tisztán technikai jellegű volt: akkoriban egyetlen ismert emelőszerkezet sem volt képes felemelni és manőverezni azokat a rendkívül nehéz anyagokat, amelyekkel dolgozni kellett, beleértve a homokkő gerendákat is. Itt Brunelleschi felülmúlta magát. Feltalált egy háromfokozatú emelőt egy bonyolult fogaskerekek, Szíjtárcsák, csavarok és hajtótengelyek rendszerével, amelyet egyetlen Ökrös igával működtetnek, amely egy fából készült kormányrudat és a castello-t forgat, egy 65 láb magas darut, amely ellensúlyok és kézi csavarok sorozatával mozgatja a rakományokat oldalirányban, miután a megfelelő magasságba emelték őket. A kupola nyolcszögletű alakját határozottan a Keresztelőkápolna ihlette. A kupola teljes szerkezetét úgy tervezték, hogy könnyű és vékony legyen mind formában, mind anyagban. Valójában a kupola nyolcszögletű dobjából nyolc szegmens áll, a vitorlák két héjra vannak elrendezve, amelyeket egy tér választ el. Brunelleschi rendszeres, kora előtt kevéssé ismert halszálkás téglafalat szőtt a kupola textúrájába, további szilárdságot adva az egész szerkezetnek. Az építés évei alatt Brunelleschi egyre több időt töltött a munkahelyen. Felügyelte a különböző méretű téglák gyártását, és részt vett a kőbányákból származó választott kő és márvány ellátásában. Kőművesek, kőfaragók, ácsok, kovácsok, ólomverők, hordók, vízhordók és más kézművesek seregét vezette. A kupolát alkotó elemek közül a legfontosabb az arany arány használata, amely akkoriban divatos volt. Amikor ezt a mesterművet szemléled, észreveszed, hogy az építői felhasználták az egyensúlyt és a harmóniát az egyes részei között. Minden építészeti elem hozzájárul a kupola stabilitásához, mivel tartószerkezetek nélkül áll. Ezen döntő elemek egyike a lámpa, amelynek tetején a Verrocchio által 1472-ben épített bronzgömb nyugszik. A labda elhelyezéséhez Brunelleschi által feltalált gépeket használtak. A fiatal Leonardo da Vinci a gyakornokok között szerepelt, akik segítettek ebben a nehéz műveletben. A kupola a szépség és a mérnöki munka mesterműve, korának úttörő építése, és sok szempontból páratlan. Az illúziók mestereként Brunelleschi Firenzében ismert volt, hogy elhitette az emberekkel a nem létező dolgokat. Kupolájának felépítése évekig tartó vitát váltott ki arról, hogy mi volt az a "mágikus trükk", amely mindenki előtt álló eredményt adott, azaz hogyan tudott állni a nyolcszögletű kupola! Még ma is, bár kiterjedt tanulmányokat végeztek és sok új felfedezés történt, még mindig vita folyik arról, hogy mi volt a Filippo Brunelleschi építész által talált ötletes megoldás.