Consistindo de duas capas de forma ogival conectadas uma à outra, a cúpula octogonal foi girada de 1418 a 1434 de acordo com o projeto de Filippo Brunelleschi, apresentado a uma competição em 1418 e aceito depois de muitos contrastes em 1420.
Uma obra-prima capaz de suportar relâmpagos, terremotos, a passagem de séculos, que hoje encanta qualquer um que a observa de longe, a Cúpula tem um diâmetro de 45,5 metros.
Em 1418, a Ópera de Santa Maria del Fiore proibiu a competição que Brunelleschi ganhou, mas apenas dois anos depois as obras começarão e durarão até 1434.
Em 25 de Março de 1436, a Catedral Florentina foi consagrada pelo Papa Eugênio IV.
A admirável inovação de Brunelleschi foi transformar a cúpula sem armadura, graças ao uso de uma abóbada dupla com uma abertura, da qual a interna (com mais de dois metros de espessura) feita de madeira de herringbone, tinha uma função estrutural sendo auto-suportável e a externa apenas cobrindo. Na cúpula está a lanterna com cobertura de Cone, projetada por Brunelleschi, que foi feita após a morte do artista (1446) e a bola de cobre dourado com a cruz, contendo relíquias sagradas, obra de Andrea del Verrocchio, que foi colocada lá em 1466
A decoração de afresco da Cúpula de Brunelleschi foi feita entre 1572 e 1579 por Giorgio Vasari e Federico Zuccari, e apresenta o mesmo tema iconográfico do Batistério: O Último Julgamento. Os afrescos da cúpula foram objeto de uma restauração global entre 1978 e 1994.