Bestående av två kepsar av ogival form ansluten till varandra, den åttkantiga kupolen vändes från 1418 till 1434 enligt utformningen av Filippo Brunelleschi, presenteras för en tävling i 1418 och accepteras efter många kontraster i 1420.
Ett mästerverk som klarar av blixtnedslag, jordbävningar, århundradenas passage, som idag förtrollar alla som observerar det långt ifrån, kupolen har en diameter på 45,5 meter.
År 1418 förbjöd operan Santa Maria del Fiore tävlingen som Brunelleschi vann, men bara två år senare kommer verken att börja och kommer att vara till 1434.
Den 25 mars 1436 invigdes den florentinska Katedralen av påven Eugene IV.
Brunelleschis beundransvärda innovation var att vända kupolen utan rustning tack vare användningen av ett dubbelvalv med ett gap, varav den inre (över två meter tjocka) av sillben, hade en strukturell funktion som självbärande och den yttre som bara täcker. På kupolen står lyktan med Konskydd, designad av Brunelleschi, som gjordes efter konstnärens död (1446) och den gyllene kopparbollen med korset, innehållande heliga reliker, Andrea del Verrocchios arbete, som placerades där 1466
Fresco dekorationen av Brunelleschis kupol gjordes mellan 1572 och 1579 av Giorgio Vasari och Federico Zuccari, och presenterar samma ikonografiska tema för Baptisteret: den sista domen. Domeens fresker var föremål för en global restaurering mellan 1978 och 1994.