Купол собора Санта-Мария дель Фьоре – наиболее раннее из крупнейших произведений Брунеллески во Флоренции. Сооружение купола над алтарной частью базилики, начатое архитектором Арнольфо ди Камбио около 1295 года и законченное в основном к 1367 году зодчими Джотто, Андреа Пизано, Франческо Таленти, для средневековой строительной техники Италии оказалось непосильной задачей. Она была разрешена только мастером Возрождения, новатором, в лице которого гармонично сочетались архитектор, инженер, художник, ученый-теоретик и изобретатель.

Прежде чем приступить к работе, Брунеллески начертил план купола в натуральную величину. Он воспользовался для этого отмелью Арно рядом с Флоренцией. Официальное начало строительных работ было отмечено 7 августа 1420 года торжественным завтраком. По винтовой лестнице на барабан собора было поднято угощение: бочонок красного вина для рабочих и мастеров, фьяска белого треббиано для руководства и корзины с хлебом и дынями.

С октября этого года Брунеллески и Гиберти стали получать жалованье, правда, весьма скромное, поскольку считалось, что они осуществляют лишь общее руководство и не обязаны бывать на строительной площадке регулярно.

Трудность возведения купола заключалась не только в огромных размерах перекрываемого пролета (диаметр купола у основания составляет около 42 метров), но и в необходимости возвести его без лесов на высоком восьмиугольном барабане с относительно небольшой толщиной стен. Поэтому все усилия Брунеллески были направлены на максимальное облегчение веса купола и уменьшение сил распора, действующих на стены барабана. Облегчение веса свода было достигнуто устройством пустотелого купола с двумя оболочками, из которых более толстая нижняя является несущей, а более тонкая верхняя – защитной. Жесткость конструкции обеспечивалась каркасной системой, основу которой составили восемь главных несущих ребер, расположенных по восьми углам восьмигранника и связанных между собой опоясывающими их каменными кольцами. Это крупнейшее нововведение строительной техники Возрождения было дополнено характерным для готики приемом – приданием своду стрельчатого очертания.