Constând din două capace de formă ogivală conectate între ele, cupola octogonală a fost transformată din 1418 până în 1434 conform designului lui Filippo Brunelleschi, prezentată la o competiție în 1418 și acceptată după multe contraste în 1420.
O capodoperă capabilă să reziste fulgerului, cutremurelor, trecerii secolelor, care astăzi încântă pe oricine o observă de departe, cupola are un diametru de 45,5 metri.
În 1418, opera Santa Maria del Fiore a interzis concursul câștigat de Brunelleschi, dar numai doi ani mai târziu lucrările vor începe și vor dura până în 1434.
La 25 martie 1436, Catedrala florentină a fost consacrată de Papa Eugen al IV-lea.
Inovația admirabilă a lui Brunelleschi a fost aceea de a transforma cupola fără armură, datorită utilizării unei bolți duble cu un gol, din care interiorul (de peste doi metri grosime) din lemn de herringbone, avea o funcție structurală fiind autoportantă, iar cea exterioară acoperă doar. Pe cupolă se află felinarul cu capac conic, proiectat de Brunelleschi, care a fost realizat după moartea artistului (1446) și mingea de cupru de aur cu crucea, care conține relicve sacre, lucrare a lui Andrea del Verrocchio, care a fost plasată acolo în 1466
Decorarea în frescă a Domului lui Brunelleschi a fost realizată între anii 1572 și 1579 de Giorgio Vasari și Federico Zuccari și prezintă aceeași temă iconografică a Baptisteriului: Judecata de Apoi. Frescele domului au făcut obiectul unei restaurări globale între 1978 și 1994.
