כיפת האוקטגונלית הופנתה מ-1418 ל-1434 על פי העיצוב של פיליפו ברונלסקי (Filippo Brunelleschi), שהוצגה לתחרות ב-1418 וקיבלה אותה לאחר ניגודים רבים ב-1420.
יצירת מופת המסוגלת לעמוד בפני ברקים, רעידות אדמה, חלוף מאות שנים, שהיום מכשפת כל מי שצופה בה מרחוק, קוטרה של הכיפה הוא 45.5 מטרים.
בשנת 1418 אסרה האופרה של סנטה מריה דל פיורה את התחרות בה זכה ברונלסקי, אך רק שנתיים לאחר מכן החלו העבודות ויימשכו עד 1434.
ב-25 במרץ 1436 קדשה קתדרלת פלורנטין על ידי האפיפיור יוג ' ין הרביעי.
החידושים הראויים להערצה של ברונלסקי היו להפוך את הכיפה ללא שריון, הודות לשימוש בכספת כפולה עם רווח, שעוביו הפנימי (מעל שני מטרים) עשוי מעץ הרינגבון, היה פונקציה מבנית התומכת רק בעצמו ובחיצוני היחיד שכיסה. על הכיפה עומד הפנס עם כיסוי קונוס, עוצב על ידי Brunelleschi, שנעשה לאחר מותו של האמן (1446) וכדור הנחושת המוזהב עם הצלב, המכיל שרידים קדושים, עבודתו של אנדריאה דל ורוקיו, שהונחה שם בשנת 1466
הקישוט הפרסקו של הכיפה של ברונלסקי נעשה בין השנים 1572 ו-1579 על ידי ג ' ורג 'יו וזארי ופדריקו זוצ' ארי, ומציג את אותו נושא איקונוגרפי של הבפטיסטריה: פסק הדין האחרון. ציורי הקיר של הכיפה היו נושא לשיקום עולמי בין השנים 1978-1994.
