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Constitué de deux calottes de forme ogivale reliées entre elles, le dôme octogonal a été tourné de 1418 à 1434 selon le dessin de Filippo Brunelleschi, présenté lors d'un concours en 1418 et accepté après de nombreux contrastes en 1420.
Chef-d'œuvre capable de résister à la foudre, aux tremblements de terre, au passage des siècles, qui enchante aujourd'hui quiconque le regarde de loin, le Dôme a un diamètre de 45,5 mètres.
En 1418, l'Opera di Santa Maria del Fiore annonce le concours que Brunelleschi a gagné, mais ce n'est que deux ans plus tard que les travaux commencent et durent jusqu'en 1434.
Le 25 mars 1436, la cathédrale florentine a été consacrée par le pape Eugène IV.
L'admirable innovation de Brunelleschi fut de faire tourner le dôme sans armure, grâce à l'utilisation d'une double voûte avec une cavité, dont l'intérieur (plus de deux mètres d'épaisseur) réalisé avec des pierres de taille à chevrons, avait une fonction structurelle car il était autoportant et l'extérieur uniquement comme toit. Au-dessus du dôme se trouve la lanterne à toit conique, conçue par Brunelleschi, qui a été réalisée après la mort de l'artiste (1446) et la boule en cuivre doré avec la croix, contenant des reliques sacrées, une œuvre d'Andrea del Verrocchio, qui y a été placée en 1466.
La décoration en fresque du Dôme de Brunelleschi a été créée entre 1572 et 1579 par Giorgio Vasari et Federico Zuccari, et présente le même thème iconographique que le Baptistère : le Jugement dernier. Les fresques du dôme ont fait l'objet d'une restauration globale entre 1978 et 1994.
