Αποτελούμενο από δύο καπάκια σχήματος ogival συνδεδεμένα μεταξύ τους, ο οκταγωνικός θόλος μετατράπηκε από το 1418 στο 1434 σύμφωνα με το σχέδιο του Filippo Brunelleschi, που παρουσιάστηκε σε διαγωνισμό το 1418 και έγινε αποδεκτός μετά από πολλές αντιθέσεις το 1420.
Ένα αριστούργημα ικανό να αντέξει τους κεραυνούς, τους σεισμούς, το πέρασμα των αιώνων, που σήμερα μαγεύει όποιον το παρατηρεί από μακριά, ο θόλος έχει διάμετρο 45,5 μέτρων.
Το 1418 η Όπερα της Santa Maria del Fiore απαγόρευσε τον ανταγωνισμό που κέρδισε ο Brunelleschi, αλλά μόνο δύο χρόνια αργότερα τα έργα θα αρχίσουν και θα διαρκέσουν μέχρι το 1434.
Στις 25 Μαρτίου 1436, ο καθεδρικός ναός της Φλωρεντίας αφιερώθηκε από τον Πάπα Ευγένιο Δ'.
Η αξιοθαύμαστη καινοτομία του Brunelleschi ήταν να μετατρέψει τον θόλο χωρίς πανοπλία, χάρη στη χρήση ενός διπλού θόλου με κενό, από το οποίο το εσωτερικό (πάχους άνω των δύο μέτρων) από ξύλο ψαροκόκαλου, είχε δομική λειτουργία να είναι αυτοφερόμενο και το εξωτερικό να καλύπτει μόνο. Στον τρούλο βρίσκεται το φανάρι με κάλυμμα κώνου, σχεδιασμένο από τον Brunelleschi, το οποίο κατασκευάστηκε μετά το θάνατο του καλλιτέχνη (1446) και η χρυσή χάλκινη σφαίρα με το σταυρό, που περιέχει ιερά λείψανα, έργο του Andrea del Verrocchio, το οποίο τοποθετήθηκε εκεί το 1466
Ο τοιχογραφικός διάκοσμος του τρούλου του Brunelleschi έγινε μεταξύ 1572 και 1579 από τους Giorgio Vasari και Federico Zuccari και παρουσιάζει το ίδιο εικονογραφικό θέμα του Βαπτιστηρίου: η τελευταία κρίση. Οι τοιχογραφίες του θόλου αποτέλεσαν αντικείμενο παγκόσμιας αποκατάστασης μεταξύ 1978 και 1994.
