En 1418, la Ópera del Duomo convocó un concurso público para la construcción de la cúpula, con un premio de 200 florines de oro -y la posibilidad de alcanzar la fama eterna- para el ganador. Los principales arquitectos de la época acudieron a Florencia para presentar sus ideas. Tras muchas incertidumbres, la Ópera del Duomo acordó nombrar a Filippo Brunelleschi superintendente del proyecto de la cúpula y designó a Lorenzo Ghiberti, compañero de Brunelleschi en la orfebrería, como co-superintendente. Los dos hombres habían sido rivales desde 1401, cuando compitieron por otro ilustre encargo, las nuevas puertas de bronce para el Baptisterio florentino. Ghiberti había ganado. Ahora, Brunelleschi, cuyo diseño para la cúpula había sido aceptado sin más, se vio obligado a trabajar codo con codo con su descaradamente exitoso rival. La construcción de la cúpula comenzó el 7 de agosto de 1420. La forma habitual de construir un arco o una cúpula era sostenerla con un andamiaje llamado "centrado". Sin embargo, el espacio abierto de la catedral tenía 42 metros de ancho, y los florentinos querían una cúpula alta y elevada. Toda la madera de la Toscana no habría bastado para hacer el centrado. Brunelleschi acabó construyendo la cúpula sin andamios, de forma que se sostuviera por sí misma a medida que avanzaban las obras. Las soluciones de Brunelleschi para la cúpula fueron ingeniosas, innovadoras y costosas. El primer problema que tuvo que resolver fue puramente técnico: ningún mecanismo de elevación conocido en la época era capaz de levantar y maniobrar los materiales enormemente pesados con los que tenía que trabajar, incluidas las vigas de arenisca, a tanta distancia del suelo. Aquí Brunelleschi se superó a sí mismo. Inventó un polipasto de tres velocidades con un intrincado sistema de engranajes, poleas, tornillos y ejes de transmisión accionados por una sola yunta de bueyes que giraba un timón de madera y el castello, una grúa de 65 pies de altura con una serie de contrapesos y tornillos manuales para mover las cargas lateralmente una vez que se habían elevado a la altura adecuada. La forma octogonal de la cúpula está definitivamente inspirada en la del Baptisterio. Toda la estructura de la cúpula está diseñada para ser ligera y esbelta tanto en la forma como en el fondo. De hecho, de un tambor octogonal de la cúpula parten ocho segmentos, las velas, dispuestos en dos cascos separados por un espacio. Brunelleschi tejió en la textura de la cúpula hileras regulares de ladrillos en espiga, poco conocidos antes de su época, que dan a toda la estructura una solidez adicional. A lo largo de los años de construcción, Brunelleschi pasó cada vez más tiempo en la obra. Supervisó la producción de ladrillos de varias dimensiones y se ocupó del suministro de piedra y mármol de las canteras. Dirigió un ejército de albañiles y canteros, carpinteros, herreros, batidores de plomo, toneleros, aguadores y otros artesanos. Entre los elementos que componen la cúpula destaca el uso de la proporción dorada, muy en boga en la época. Al contemplar esta obra maestra, se nota que sus constructores han hecho uso del equilibrio y la armonía entre cada una de sus partes. Cada elemento arquitectónico contribuye a la estabilidad de la cúpula al no tener estructuras de soporte. Otro de estos elementos cruciales es la linterna, sobre la que descansa la bola de bronce construida por Verrocchio en 1472. Para colocar la bola se utilizaron máquinas inventadas por Brunelleschi. El joven Leonardo da Vinci figuró entre los aprendices que ayudaron en esta difícil operación. La cúpula es una obra maestra de la belleza y la ingeniería, una construcción pionera para su época, y en muchos aspectos sigue siendo inigualable. Como maestro de las ilusiones, Brunelleschi era conocido en Florencia por haber hecho creer a la gente en cosas que no existían. La construcción de su cúpula suscitó años de debate sobre cuál fue el "truco de magia" que proporcionó el resultado que estaba a la vista de todos, es decir, ¡cómo pudo sostenerse la cúpula octogonal! Incluso hoy, aunque se han realizado amplios estudios y se han hecho muchos nuevos descubrimientos, sigue habiendo un debate sobre cuál fue la ingeniosa solución encontrada por el arquitecto Filippo Brunelleschi.