Consta de dos caps de ogival forma connectades entre altres, la cúpula octogonal es va convertir des de 1418 a 1434 segons el disseny de Filippo Brunelleschi, presentat a un concurs en 1418 i acceptats després de molts contrastos, en 1420.
Una obra mestra capaç de suportar la caiguda de llamps, terratrèmols, el pas dels segles, que avui encanta qualsevol persona que l'observa de lluny, la Cúpula té un diàmetre de el 45,5 metres.
En 1418 l'Òpera de Santa Maria del Fiore va prohibir la competència que Brunelleschi va guanyar, però només dos anys més tard, les obres s'iniciaran i s'allargarà fins 1434.
El 25 de Març de 1436, la Catedral Florentina va ser consagrada pel Papa Eugene IV.
Brunelleschi és admirable la innovació es va convertir en la Cúpula sense armadura, gràcies a l'ús d'un doble volta amb un buit, del qual l'intern (més de dos metres de gruix) va fer herringbone de fusta, tenia una funció estructural ser autosuficient i els externs, que només cobreix. En la Cúpula destaca la llanterna amb Con coberta, dissenyada per Brunelleschi, que es va fer després de la mort de l'artista (1446) i l'or de coure pilota amb la creu, que conté relíquies sagrades, obra d'Andrea del Verrocchio, que va ser col·locat en 1466
La pintura al Fresc decoració de la Cúpula de Brunelleschi va ser realitzada entre 1572 i 1579 per Giorgio Vasari i Federico Zuccari, i que presenta el mateix tema iconogràfic del Baptisteri: El Judici final. Els frescos de la cúpula que van ser objecte d'un global de restauració, entre 1978 i 1994.
