Elle fut commencée en 1420 et terminée en 1434, tandis que la lanterne est de 1445-1461.

La grandiose Coupole du Dôme fut conduite par Filippo Brunelleschi sans armature partant du sol, mais avec une technique hardie, tirée d'exemples romains, basée sur une structure en spirale avec des briques disposées à bâtons rompus et double voûte avec interstice.
Le revêtement externe, projeté par Baccio d'Agnolo, fut interrompu parce que Michel-Ange l'avait défini « une cage à grillons ».
La coupole a un diamètre de 45,52 mètres et une hauteur – sans lanterne – de 91 mètres.