EnEl 1418 es va organitzar un concurs per projectar una nova [[cúpula]], o ''duomo'', per a la catedral.<ref>{{ref-llibre|cognom=Hourihane |nom=Colum |títol=The Grove Encyclopedia of Medieval Art and Architecture |volum=Volum 2 |url= https://books.google.cat/books?id=FtlMAgAAQBAJ&pg=RA1-PA528&dq=Santa+Maria+del+Fiore+brunelleschi+1334&hl=ca&sa=X&ved=0ahUKEwj09Z-ip9vQAhVJx2MKHTyRAiIQ6AEIYjAH#v=onepage&q=Santa%20Maria%20del%20Fiore%20brunelleschi%201334&f=false |llengua=anglès| editorial=OUP USA |data=2012 |pàgines=528 |isbn=0195395360}}</ref> S'hi van presentar [[Lorenzo Ghiberti]] i [[Filippo Brunelleschi]], i aquest darrer va guanyar el concurs amb el seu original disseny octagonal, que permetia aixecar la cúpula sense necessitat de fer servir [[contrafort]]s. Malgrat el concurs, tots dos arquitectes foren encarregats de dur endavant les obres, però la cosa no va funcionar i Brunelleschi aviat en va assumir la responsabilitat ell sol. L'obra de la cúpula va començar el [[1420]] i es va enllestir el [[1436]]; la catedral fou consagrada pel [[papa]] [[Eugeni IV]] el [[25 de març]] d'aquell mateix any. Era la primera cúpula "octagonal" de la història (el [[Panteó de Roma]], una cúpula circular, es va construir entre els anys [[118]] i [[128]] de la nostra era sense estructures de suport) que s'aixecava sense utilitzar una bastida de fusta, i era la més gran construïda mai (encara avui és la cúpula de [[maçoneria]] més gran del món). La idea de Brunelleschi de rematar la cúpula amb un [[llanternó]] va ocasionar certa polèmica, que va haver de ser debatuda en un nou concurs d'adjudicació. Al final es va començar a construir pocs mesos abans de la seva mort el [[1446]] i la va enllestir el seu amic [[Michelozzo]].
Una gran estàtua de Brunelleschi s'aixeca avui dia davant el Palazzo dei Canonici, a la Piazza del Duomo, que s'està assegut mirant pensativament cap a la seva obra cabdal, precursora de moltes consecucions arquitectòniques posteriors. Per exemple, a la cúpula també es van utilitzar reforços horitzontals de tirants de pedra i ferro, cosa que obria el camí a la imaginació per als reforços de ferro i acer que s'usarien segles més tard, com és el cas del ciment armat. Brunelleschi, doncs, va fer una contribució espectacular a l'arquitectura amb els seus enginys i grues especialment dissenyats per al projecte de la cúpula i les seves brillants tècniques constructives.
