La prima opera fu, nel 1418, il progetto della Cupola di S. Maria del Fiore a Firenze dove Brunelleschi si trovò davanti a problemi costruttivi che per la cultura del tempo non avevano soluzione. Infatti, le grandi dimensioni rendevano impraticabile l'uso di centine, e la pianta ottagonale, unita all'elevata quota d'imposta della volta, resero necessarie una serie di innovazioni tecnologiche fra cui la spinapesce e la costruzione di macchinari molto efficienti. Brunelleschi riuscì anche, dopo aver superato non pochi contrasti, a guidare incondizionatamente il cantiere, ponendo così fine alla pratica costruttiva medievale che non prevedeva la presenza di un preciso progetto prestabilito, ma si affidava alla capacità delle maestranze di superare in maniera estemporanea i problemi costruttivi via via incontrati. È con questa nuova organizzazione del cantiere che rinasce la figura dell'architetto, inteso come colui che prima progetta e poi segue la realizzazione dell'edificio.

L'invenzione della prospettiva e lo studio delle costruzioni dell'antichità consentirono a Brunelleschi di proporre nuovi modelli costruttivi che riprendevano gli elementi decorativi classici e consentivano la realizzazione di edifici normalizzati secondo una regola ben precisa di proporzioni e ritmi, di cui sono un ottimo esempio la Sagrestia Vecchia e la Basilica di S. Lorenzo. Qui, come anche nell'Ospedale degli Innocenti e nella cappella Pazzi, lo spazio è scandito con successioni ritmiche di elementi uguali che sono giustapposti con una scioltezza sconosciuta ai maestri dell'antichità.

Leon Battista Alberti si occupò poi di sistematizzare formalmente e matematicamente le regole riscoperte e con i suoi trattati ne rese possibile la divulgazione e l'utilizzo sistematico in tutta Europa e nelle colonie fino al XVIII secolo. Egli stesso ha lasciato alcuni esempi molto importanti anche in Toscana, come le facciate della chiesa di S. Maria Novella e di Palazzo Rucellai.

La ricostruzione del borgo di Corsignano che poi prese il nome di Pienza fu iniziata dal papa Pio II nel 1459 e rappresenta l'intervento a scala urbanistica più significativo del primo Rinascimento. In esso vengono posti in atto i principi esposti da Alberti nei suoi trattati con la realizzazione di una piazza attorno alla quale sono disposti secondo precisi criteri una serie di edifici monumentali: la grande Chiesa a tre navate di uguale altezza e con le pareti interne non affrescate, il Palazzo Piccolomini con l'originale porticato panoramico e il giardino all'italiana, il Palazzo Vescovile e il Palazzo Pretorio.

In architettura alla fine del Quattrocento, venne riproposto il modello della chiesa a pianta centrale, già sperimentato nella rotonda degli Angeli da Brunelleschi. Esempi celebri di questa tipologia sono S. Maria delle Carceri a Prato e S. Biagio a Montepulciano.

I palazzi signorili, il cui capostipite rinascimentale è il primo nucleo di Palazzo Pitti, progettato da Brunelleschi, furono poi spesso progettati sul modello di Palazzo Strozzi. I Medici si fecero costruire una serie di ville isolate nella campagna Toscana (Poggio a Caiano, Artimino, Cafaggiolo, ecc.).