Składający się z dwóch dachów o kształcie ognia połączonych ze sobą, ośmiokątna kopuła została obrócona od 1418 do 1434 według projektu Philippe Brunelleschi, przedstawiony w konkursie w 1418 i przyjęty po wielu kontrastach w 1420.
Arcydzieło, które jest w stanie wytrzymać błyskawice, trzęsienia ziemi, na przestrzeni wieków, które dziś fascynuje wszystkich, którzy obserwują je z daleka, kopuła ma średnicę 45,5 metra.
W 1418 dzieło Santa Maria del Fiore zakazuje konkursu, który Brunelleschi wygrywa, ale dopiero dwa lata później prace rozpoczną się i będą kontynuowane do 1434 roku.
25 marca 1436 Sobór florencki konsekrował papież Eugeniusz IV.
Innowacja niezwykły Brunelleschi było odwrócić kopułę bez zbrojenia, dzięki zastosowaniu dwukrotnie z wnęką, w której wewnętrzna (o grubości ponad dwóch metrów) jest wykonana z kamienia ciętego w jodełkę, to jako funkcja strukturalna, będąc na nogach, a na zewnątrz tylko pokrywa. Na kopule świeci Latarnia ze stożkową pokrywą, zaprojektowany przez Brunelleschi, który został wykonany po śmierci artysty (1446) i złota miedziana kula z krzyżem zawierającym święte relikwie, dzieło Andrea del Verrocchio, który został umieszczony w 1466
Dekoracja fresku kopuły Brunelleschi została wykonana w latach 1572 i 1579 przez Giorgio Vasariego i Federico Zuccari i ma ten sam ikonograficzny motyw Baptysterium: Sąd Ostateczny. Freski kopuły były przedmiotem globalnej renowacji w latach 1978-1994.