Su grandeza impidió el método de construcción tradicional mediante el uso de céntine, lo que provocó que se formulen muchas hipótesis sobre la técnica de construcción utilizada. El edificio actual de la Catedral se inició en 1294-1295 y la base del tambor de la cúpula ya estaba lista en 1314-1315; sin embargo, a principios del siglo XV nadie había planteado seriamente el problema de encontrar una solución para la cobertura. El problema de su construcción siempre ha preocupado a los trabajadores del Duomo. ¿Cómo construir y dónde colocar las enormes costillas de madera que se suponía que lo sostendrían hasta su cierre final con la piedra angular? Ciertamente, el arquitecto, Arnolfo di Cambio, debió haberlo previsto si hubiera imaginado la conclusión de su edificio con una cúpula, una Organismo bastante diferente y mucho más amplio que el tiburium tradicional de las catedrales medievales. El hecho de que la cúpula debe tener un aspecto más convencional en su diseño lo demuestra un conocido fresco de Andrea Bonaiuti de Florencia que aún podemos admirar en la Cappellone degli Spagnoli en Santa Maria Novella. El fresco, que data de alrededor de 1355, muestra en el fondo una iglesia en la que se puede reconocer claramente a Santa Maria del Fiore, solo que la cúpula, sin el tambor, se imagina en la ronda. Pero una cúpula semiesférica, aunque más pequeña y sin tambor, habría tenido enormes dificultades para soportar el peso de la linterna con la que está equipada la cúpula en el fresco. En 1418, la Ópera del Duomo anunció un concurso público para la construcción de la cúpula. Luego de la competencia, que oficialmente no tuvo ganadores, Filippo Brunelleschi y Lorenzo Ghiberti fueron nombrados maestros constructores. El 7 de agosto de 1420 comenzó la construcción de la cúpula, que se completó hasta la base de la linterna el 1 de agosto de 1436. El grandioso sitio de construcción abrió sus puertas después de la redacción del llamado "dispositivo" de 1420, atribuido al propio Brunelleschi, donde explicó la forma en que se debería haber cerrado el tambor y se especificaron los métodos de construcción para los puntos salientes. En esencia, fue un "programa de trabajo" singular que resumió la estructura, la forma y el tamaño del edificio en unas pocas líneas, pero en lugar de expresar una intención programática, Brunelleschi declaró el proyecto dando instrucciones ejecutivas. En esos doce puntos que él enumeró no solo estaba el trabajo final ya contenido, sino que incluso se indicaron las variaciones, accidentes y adiciones que deberían haberse realizado: por ejemplo, se había previsto la inclusión en las paredes de la Cúpula de numerosos Anillos de hierro para apoyar el andamio sobre el que habrían trabajado los autores de los frescos. En 1425, Ghiberti fue expulsado de las obras, que pasaron enteramente a Brunelleschi. El sitio de construcción procedió sin interrupciones apreciables, hasta que, en agosto de 1436, la finalización de la fábrica se celebró oficialmente con la solemne bendición del Papa Eugenio IV. La consagración fue solemnizada por el estreno mundial del famoso motivo de Guillaume Dufay Nuper rosarum flores, con referencia al emblema de Florencia y la dedicación de la basílica a Santa Maria del Fiore. Después de la construcción de la cúpula, se anunció otra competencia pública para la linterna, siempre ganada por Brunelleschi. Sin embargo, el trabajo comenzó solo en 1446, unos meses antes de la muerte del gran arquitecto; luego procedieron bajo la dirección del amigo y seguidor Michelozzo di Bartolomeo, que será terminado por Antonio Manetti el 23 de abril de 1461. Partiendo de un tambor octagonal, la Cúpula se apoya en ocho segmentos, las velas, dispuestas en dos tapas separadas por una espacio vacio El motivo de esta elección, sin duda, debe atribuirse a un aligeramiento de la estructura que de otro modo habría sido demasiado pesado, probablemente, para ser apoyado por los cuatro pilares siguientes. El espacio entre las dos conchas mide aproximadamente 1,20 metros y es a través de su camino que se llega a la Lanterna. Una cadena de madera formada por 24 vigas conectadas entre sí por soportes y pasadores de hierro rodea todo el edificio. Su eficacia ha sido discutida en profundidad. Sintéticamente, hoy podemos afirmar que, en principio, una cúpula es más estable cuanto más firme es su tambor (y su base): por lo tanto, un sistema eficaz de aros es útil para la estabilidad