Sa grandeur a empêché la méthode de construction traditionnelle grâce à l'utilisation de la céntine, ce qui a permis de formuler de nombreuses hypothèses sur la technique de construction utilisée. La construction actuelle de la cathédrale a été commencée en 1294-1295 et la base du tambour du dôme était prête déjà en 1314-1315; cependant, au début du 15ème siècle, personne n’avait sérieusement posé le problème de la recherche d’une solution pour la couverture. Le problème de sa construction préoccupe depuis longtemps les travailleurs du Duomo. Comment construire et où poser les énormes nervures de bois censées le supporter jusqu'à sa fermeture définitive avec la clé de voûte? Certes, l'architecte Arnolfo di Cambio aurait dû le prévoir s'il avait imaginé la conclusion de son bâtiment avec une coupole, organisme très différent et beaucoup plus large que le tiburium traditionnel des cathédrales médiévales. Le fait que le Dôme ait un aspect plus conventionnel dans sa conception est prouvé par une célèbre fresque de Florence, Andrea Bonaiuti, que nous pouvons encore admirer dans le Cappellone degli Spagnoli à Santa Maria Novella. La fresque, qui date d'environ 1355, montre en bas une église dans laquelle est clairement reconnaissable Santa Maria del Fiore, à la différence que la coupole, dépourvue de tambour, est imaginée en rond. Mais un dôme semi-sphérique, bien que plus petit et sans tambour, aurait eu beaucoup de difficulté à supporter le poids de la lanterne dont est doté le dôme de la fresque. En 1418, l'Opéra del Duomo annonça un concours public pour la construction du dôme. À l'issue du concours, qui n'avait officiellement aucun gagnant, Filippo Brunelleschi et Lorenzo Ghiberti ont été nommés maîtres d'œuvre. La construction du dôme a débuté le 7 août 1420. Elle a été achevée jusqu'au 1 août 1436, à la base de la lanterne. Le chantier grandiose a ouvert ses portes après la rédaction du "dispositif" de 1420, attribué à Brunelleschi lui-même, où il a il a expliqué la manière dont le tambour aurait dû être fermé et les méthodes de construction spécifiées pour les points saillants. En substance, c’était un "programme de travail" singulier qui résumait la structure, la forme et la taille du bâtiment en quelques lignes, mais plutôt que d’exprimer une intention programmatique, Brunelleschi a exposé le projet en donnant des instructions. Dans ces douze points, il a énuméré non seulement les travaux finis déjà contenus, mais également les variations, accidents et ajouts qui auraient dû être faits: par exemple, il avait été prévu que de nombreux objets seraient inclus dans les murs du Dôme. des anneaux de fer pour supporter l’échafaudage sur lequel les auteurs des fresques auraient travaillé. En 1425, Ghiberti fut évincé des travaux qui passèrent entièrement à Brunelleschi. Le chantier s'est déroulé sans interruption appréciable jusqu'à ce qu'en août 1436, l'achèvement de l'usine soit officiellement célébré avec la bénédiction solennelle du pape Eugène IV. La célébration de la consécration a été célébrée en première mondiale par le célèbre motif de Guillaume Dufay Nuper rosarum flores, faisant référence à l'emblème de Florence et à la dédicace de la basilique à Santa Maria del Fiore. Après la construction du dôme, un nouveau concours public pour la lanterne a été annoncé, toujours remporté par Brunelleschi. Cependant, les travaux ne commencèrent qu'en 1446, quelques mois avant la mort du grand architecte. ils ont ensuite procédé sous la direction de l'ami et disciple Michelozzo di Bartolomeo, pour être résilié par Antonio Manetti le 23 avril 1461. Partant d'un tambour octogonal, le Dôme se dresse sur huit segments, les voiles, disposées sur deux calottes séparées par une espace vide. La raison de ce choix doit sans doute être attribuée à un allègement de la structure qui, autrement, aurait été trop lourde, probablement pour être soutenue par les quatre piliers ci-dessous. L'espace entre les deux obus mesure environ 1,20 mètre et c'est par son chemin que l'on atteint la Lanterna. Une chaîne de bois formée de 24 poutres reliées entre elles par des crochets et des épingles en fer entoure l'ensemble du bâtiment. Son efficacité a été longuement discutée. Synthétiquement, on peut affirmer aujourd'hui qu'en principe, plus le dôme est stable, plus son tambour (et son socle) sont fermes: un système de cerceaux efficace est donc utile pour la stabilité.