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Compuesta por dos capuchones de forma ojival conectados entre sí, la cúpula octogonal fue girada de 1418 a 1434 según el diseño de Filippo Brunelleschi, presentado en un concurso en 1418 y aceptado después de muchos contrastes en 1420.
Una obra maestra capaz de resistir a los rayos, a los terremotos, al paso de los siglos, que hoy en día encanta a cualquiera que la mire desde la distancia, la Cúpula tiene un diámetro de 45,5 metros.
En 1418 la Opera di Santa Maria del Fiore anunció el concurso que ganó Brunelleschi, pero sólo dos años después comenzó la obra y duró hasta 1434.
El 25 de marzo de 1436, la catedral de Florencia fue consagrada por el Papa Eugenio IV.
La admirable innovación de Brunelleschi fue convertir la cúpula sin armadura, gracias a la utilización de una doble bóveda con una cavidad, de la cual el interior (de más de dos metros de espesor) hecha con sillares de espiga, tenía una función estructural ya que era autoportante y el exterior sólo como techo. Sobre la cúpula se encuentra la linterna con techo en forma de cono, diseñada por Brunelleschi, que fue hecha después de la muerte del artista (1446) y la bola de cobre dorado con la cruz, que contiene reliquias sagradas, una obra de Andrea del Verrocchio, que fue colocada allí en 1466.
La decoración al fresco de la Cúpula de Brunelleschi fue creada entre 1572 y 1579 por Giorgio Vasari y Federico Zuccari, y presenta el mismo tema iconográfico que el Bautisterio: el Juicio Final. Los frescos de la cúpula fueron objeto de una restauración global entre 1978 y 1994.
