La costruzione della cupola del Duomo fu una delle più grandi imprese del Rinascimento, tenne impegnati per anni i fiorentini in dibattiti e concorsi ma, una volta realizzata grazie al genio di Filippo Brunelleschi, diventò il simbolo stesso della città e della nuova, rivoluzionaria, architettura rinascimentale.
Il progetto di Arnolfo per Santa Maria del Fiore, reso ancora più imponente dalle modifiche di Francesco Talenti, aveva lasciato la basilica con un enorme problema: chiudere il coro con una volta. La basilica di Arnolfo prevedeva certo una cupola, ma bassa, analoga a qualche calotta bizantina ancor'oggi visibile nell'Italia meridionale: possiamo vederne un'immagine virtuale nell'affresco del Cappellone degli Spagnoli in Santa Maria Novella, eseguito nel 1365-67, dove il Duomo è raffigurato con una strana cupola in realtà mai esistita.
Le dimensioni all'interno della cattedrale risultarono comunque alla fine così imponenti che non fu possibile usare il consueto metodo basato su strutture fisse che partivano da terra. Del resto, voltare uno spazio di 45,5 metri di diametro senza armature su cui poggiare era veramente impensabile.

La sfida fu risolta dal Brunelleschi, studioso della prospettiva e delle sue leggi matematiche, nonchè grande appassionato delle tecniche costruttive degli antichi romani. L'ispirazione definitiva venne infatti dopo un accurato sopralluogo alla cupola del Pantheon, anch'essa realizzata senza armatura e con una doppia calotta. Rientrato a Firenze, l'artista suggerì dapprima di costruire sopra il coro un tamburo poi, realizzato questo coronamento che in realtà rendeva ancora più difficile l'erezione della cupola, se ne tornò a Roma inseguito dai messaggi disperati dell'Opera del Duomo. Dopo essersi fatto un pò pregare rientrò a Firenze e suggerì di bandire un concorso per il progetto di una cupola che doveva avere questi requisiti: essere ottagonale, avere 46 metri di diametro alla base, non contenere ossatura e risultare per di più doppia. Era sicuro di vincere.

Il concorso fu bandito nel 1418 e Brunelleschi ne uscì trionfatore, ma i responsabili dell'Opera del Duomo vollero affiancargli nella direzione dei lavori Lorenzo Ghiberti, che già gli aveva strappato la commessa per la Porta nord del Battistero. L'artista si offese tanto che stava per distruggere il suo modello (lo stesso che vediamo oggi nel Museo dell'Opera del Duomo), quando gli amici Donatello e Luca della Robbia gli suggerirono di darsi malato e lasciare tutta la responsabilità al Ghiberti. Così fu fatto e ben presto Ghiberti gettò la spugna dichiarandosi assolutamente incapace di capire il progetto e portare avanti i lavori.

Brunelleschi, uscito trionfatore dal confronto, cominciò la costruzione nel 1420 e vi si impegnò per tutta la vita pur realizzando nel frattempo quei monumenti che avrebbero costituito il volto della Firenze rinascimentale (l'Ospedale degli Innocenti, San Lorenzo, la Cappella dei Pazzi, Santo Spirito). La struttura definitiva da lui elaborata e messa in atto consiste in una doppia cupola in mattoni apparecchiati a spina di pesce, alta 91 metri, assolutamente autoportante e basata su un inedito sistema di centine mobili anzichè fisse (cosa appunto impossibile date le dimensioni). La cupola esterna, a vele e costoloni angolari di pietra, risultava più vasta e "gonfiante" di quella interna, di cui tuttavia ripeteva esattamente il profilo a sesto acuto.

Il "Cupolone" (come da allora lo chiamano i fiorentini) fu concluso nel 1434, due anni dopo fu messa in opera la lanterna di coronamento (che portava l'altezza totale da 91 a 114,5 metri), nel 1438 si realizzarono le quattro tribune negli intervalli dei corpi sporgenti dell'ottagono absidale. Nel frattempo si realizzavano le decorazioni della lanterna, già pronte quando, nel 1446, il grande architetto moriva. Gli ultimi ritocchi saranno costituiti dall'applicazione delle decorazioni alla lanterna (1461) e dalla grande sfera di rame posta in cima (1474). Fusa nella bottega del Verrocchio e alzata grazie a una macchina costruita con l'aiuto di Leonardo da Vinci, la palla cadde per colpa di un fulmine il 17 luglio del 1600 e due anni dopo fu sostituita da una più grande. Nel pavimento della piazza, dietro il Duomo è ancora visibile un disco di marmo bianco che ricorda l'avvenimento.

Incompiuta resta invece la decorazione della galleria intorno al tamburo: la balaustra ideata da Baccio d'Agnolo e realizzata per un solo lato dell'ottagono, non incontrò l'approvazione di Michelangelo che, definendola "una gabbia per grilli" ne decretò l'inappellabile condanna. Il modello del Brunelleschi sarà più tardi copiato da Michelangelo nella cupola di San Pietro a Roma. Spettacolare la visita che la struttura offre ai turisti: la salita, piuttosto faticosa (463 gradini), è interessantissima per comprendere il sistema costruttivo dell'architetto ed offre per di più un panorama incomparabile sulla città. Nel percorso ci si può anche fermare all'interno per guardare da vicino gli affreschi del Giudizio Universale di Giorgio Vasari e Federico Zuccari.