En 1418, l'Opera del Duomo a annoncé un concours public pour la construction de la coupole, avec un beau prix de 200 florins d'or - et une chance de gloire éternelle - pour le gagnant. Les principaux architectes de l'époque ont afflué à Florence pour présenter leurs idées. Après de nombreuses incertitudes, l'Opera del Duomo accepte de faire de Filippo Brunelleschi le surintendant du projet de la coupole et nomme Lorenzo Ghiberti, le compagnon orfèvre de Brunelleschi, comme co-superintendant. Les deux hommes étaient rivaux depuis 1401, lorsqu'ils s'étaient disputés une autre illustre commande, les nouvelles portes en bronze du baptistère florentin. Ghiberti avait gagné. Brunelleschi, dont le projet de coupole avait été accepté d'emblée, était maintenant contraint de travailler côte à côte avec son rival au succès éclatant. La construction du Dôme commence le 7 août 1420. La manière habituelle de construire une arche ou une coupole était de la soutenir avec un échafaudage appelé "centrage". Cependant, l'espace libre de la cathédrale mesurait 42 mètres de large et les Florentins voulaient un dôme haut et élancé. Tout le bois de Toscane n'aurait pas suffi à fabriquer le centrage. Brunelleschi a fini par construire le dôme sans échafaudage, de manière à ce qu'il se soutienne lui-même au fur et à mesure de l'avancement des travaux. Les solutions de Brunelleschi pour le dôme étaient ingénieuses, innovantes et coûteuses. Le premier problème à résoudre était purement technique : aucun mécanisme de levage connu à l'époque n'était capable de soulever et de manœuvrer les matériaux extrêmement lourds avec lesquels il devait travailler, notamment les poutres en grès, à une telle distance du sol. Ici, Brunelleschi s'est surpassé. Il a inventé un palan à trois vitesses doté d'un système complexe d'engrenages, de poulies, de vis et d'arbres de transmission alimenté par un seul joug de bœufs tournant un timon en bois et le castello, une grue de 65 pieds de haut dotée d'une série de contrepoids et de vis à main pour déplacer latéralement les charges une fois qu'elles ont été élevées à la bonne hauteur. La forme octogonale de la coupole est clairement inspirée de celle du baptistère. Toute la structure du dôme est conçue pour être légère et mince, tant dans la forme que dans le fond. En effet, d'un tambour octogonal de la coupole partent huit segments, les voiles, disposés sur deux coquilles séparées par un espace. Brunelleschi a tissé des rangées régulières de briques à chevrons, peu connues avant son époque, dans la texture de la coupole, donnant à l'ensemble de la structure une solidité supplémentaire. Tout au long des années de construction, Brunelleschi passe de plus en plus de temps sur le chantier. Il supervisait la production de briques de différentes dimensions et s'occupait de l'approvisionnement en pierres de choix et en marbre provenant des carrières. Il dirigeait une armée de maçons et de tailleurs de pierre, de charpentiers, de forgerons, de batteurs de plomb, de tonneliers, de porteurs d'eau et d'autres artisans. Parmi les éléments qui composent la coupole, il faut souligner l'utilisation de la proportion dorée, en vogue à l'époque. En contemplant ce chef-d'œuvre, on remarque que ses constructeurs ont utilisé l'équilibre et l'harmonie entre chacune de ses parties. Chaque élément architectural contribue à la stabilité du dôme, qui se dresse sans structure de soutien. Un autre de ces éléments cruciaux est la lanterne, au sommet de laquelle repose la boule de bronze construite par Verrocchio en 1472. Pour positionner la boule, ils ont utilisé des machines inventées par Brunelleschi. Le jeune Léonard de Vinci figurait parmi les apprentis qui ont aidé à cette opération difficile. Le dôme est un chef-d'œuvre de beauté et d'ingénierie, une construction pionnière pour son époque, et reste à bien des égards inégalé. En tant que maître des illusions, Brunelleschi était connu à Florence pour avoir fait croire à des choses qui n'existaient pas. La construction de sa coupole a suscité des années de débat sur le "tour de magie" qui a permis d'obtenir le résultat que tout le monde avait sous les yeux, à savoir comment la coupole octogonale a pu tenir debout ! Aujourd'hui encore, bien que des études approfondies aient été menées et que de nombreuses découvertes aient été faites, le débat sur la solution ingénieuse trouvée par l'architecte Filippo Brunelleschi est toujours d'actualité.