Osemhranná kupola, pozostávajúca z dvoch uzáverov ogiválneho tvaru, ktoré boli navzájom spojené, sa zmenila z roku 1418 na 1434 podľa návrhu Filippa Brunelleschiho, predloženého súťaži v roku 1418 a prijatého po mnohých kontrastoch v roku 1420.
Majstrovské dielo schopné vydržať blesk, zemetrasenia, prechod storočí, ktoré dnes očarí každého, kto ho pozoruje z diaľky, má kopulu priemer 45,5 metra.
V roku 1418 Opera Santa Maria del Fiore zakázala súťaž, ktorú vyhral Brunelleschi, ale o dva roky neskôr sa práce začnú a budú trvať až do roku 1434.
25. Marca 1436 bola Florentská Katedrála vysvätená pápežom Eugenom IV.
Obdivuhodnou inováciou Brunelleschiho bolo otočiť kupolu bez brnenia vďaka použitiu dvojitého trezoru s medzerou, z ktorej vnútorná (viac ako dva metre hrubá) vyrobená z rybieho dreva mala štrukturálnu funkciu samonosnú a vonkajšia iba pokrývajúca. Na kupole stojí lucerna s kužeľovým krytom, ktorú navrhol Brunelleschi, ktorá bola vyrobená po smrti umelca (1446) a zlatá medená guľa s krížom, obsahujúca posvätné relikvie, dielo Andrea del Verrocchio, ktoré tam bolo umiestnené v roku 1466
Freskovú výzdobu kupoly Brunelleschiho vytvorili Giorgio Vasari a Federico Zuccari v rokoch 1572 až 1579 a predstavuje rovnakú ikonografickú tému krstiteľnice: Posledný súd. Fresky kupoly boli predmetom globálnej obnovy v rokoch 1978 až 1994.
