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Costituita da due calotte di forma ogivale tra loro collegate, la Cupola ottagonale fu voltata dal 1418 al 1434 secondo il progetto di Filippo Brunelleschi, presentato ad un concorso nel 1418 ed accettato dopo molti contrasti nel 1420.
Un capolavoro capace di resistere ai fulmini, ai terremoti, al passare dei secoli, che oggi incanta chiunque lo osservi da lontano, la Cupola ha un diametro di 45,5 metri.
Nel 1418 l'Opera di Santa Maria del Fiore bandisce il concorso che Brunelleschi vince, ma solo due anni dopo i lavori avranno inizio e dureranno fino al 1434.
Il 25 marzo del 1436 la Cattedrale fiorentina viene consacrata da Papa Eugenio IV.
L'innovazione mirabile del Brunelleschi fu quella di voltare la Cupola senza armature, grazie all'uso di una doppia volta con intercapedine, di cui l'interna (spessa oltre due metri) realizzata con conci a spina di pesce, aveva una funzione strutturale essendo autoportante e quella esterna solo di copertura. Svetta sulla Cupola la lanterna con copertura a cono, su disegno del Brunelleschi, che fu realizzata dopo la morte dell'artista (1446) e la palla di rame dorato con la croce, contenente reliquie sacre, opera d'Andrea del Verrocchio, che vi fu collocata nel 1466
La decorazione ad affresco della Cupola del Brunelleschi fu realizzata tra il 1572 ed il 1579 da Giorgio Vasari e Federico Zuccari, e presenta lo stesso tema iconografico del Battistero: il Giudizio Universale. Gli affreschi della cupola sono stati oggetto di un restauro globale tra il 1978 ed il 1994.
