Planta e interior: Brunelleschi ganó el concurso gracias a su innovador sistema constructivo: sin cimbras de madera y empleo de un aparejo de ladrillo hueco en forma de espina de pez, utilizado ya por los romanos. Planteó la grandiosa cúpula- de casi 43 m. de diámetro- como un doble cascarón con un espacio vacío en medio: el cascarón interno era de forma semiesférica, el externo era apuntado, dividido en ocho partes triangulares divididas por nervios exteriores de mármol. Aligeran el peso en el exterior diversas semicúpulas de descarga y, desde el interior, una serie de costillas horizontales concéntricas y nervios ocultos.
Exterior: La cúpula se alza sobre un tambor octogonal de piedra revestido de placas de mármol, con una gran ventana circular (óculo) en cada uno de sus lados . La cúpula, cuyas ocho caras están cubiertas de tejas rojas planas , tiene un aspecto esbelto gracias a su perfil apuntado, debido a la curvatura de los nervios de mármol blanco que la recorren ascendiendo hacia la cúspide. En la unión de los nervios aparece una estilizada linterna, punto de fuga del sistema, terminada en 1471, ya muerto Brunelleschi. En ella se emplean volutas.
Estilo: esta cúpula es la primera obra renacentista. Está inspirada en los sistemas de construcción romanos, especialmente en la cúpula del Panteón de Agripa, y también en la tradición gótica, pero los supera . Unifica y centraliza el espacio del edificio.
Significado: La cúpula superaba en altura y destacaba del resto de las edificaciones de la ciudad de Florencia. Dominaba la perspectiva y jerarquizaba el espacio urbano. Era el símbolo del orgullo de esta ciudad-estado, la más prestigiosa del siglo XV. La cúpula tendrá un enorme éxito y será muy imitada durante el Renacimiento, dentro y fuera de Italia. Miguel Ángel se inspiró en ella para su cúpula del Vaticano. Posteriormente, tanto en Europa como en América, se realizarán otras cúpulas siguiendo el modelo de Brunelleschi. Ejemplos: la cúpula de la catedral de San Pablo en Londres (siglo XVII) y la del Capitolio de Washington (comienzos del XIX)