Avviata nell'agosto del 1420, la costruzione della cupola fu completata nel 1436. La lanterna, progettata da Brunelleschi, fu ultimata dopo la sua morte. La sfera di rame dorato fu collocata sulla sommitą da Verrocchio nel 1472. La costruzione evidenzia una scansione strutturale rigorosamente geometrica.

Sul tamburo ottagonale si sviluppano otto vele, all'interno di ognuna delle quali sono lasciati degli spazi vuoti per alleggerire la fabbrica. I costoloni angolari non hanno funzione di sostegno strutturale. Notevole č anche il sistema di copertura esterna, mediante tegole appositamente progettate per renderne agevole il montaggio e la manutenzione.