Brunelleschi vervollständigte den Dom 1436 mit einer eleganten Kuppel. Eine Ingenieurleistung, die bis zum Barock wegweisend war. Da die übliche Kuppelbauweise zu schwer für die Fundamente gewesen wäre, löste er das Problem, indem er eine leichtere zweischalige Segmentkuppelkonstruktion aus Ziegelsteinen im Fischgrätverband wählte. Dazu verlegte er an jeder Ecke des Oktogons Rippen und jeweils zwei zusätzliche im Inneren der Gewölbekappe. Diese insgesamt 24 Teile sind miteinander durch waagerechte Querbalken verbunden.

Dieses Skelettsystem ließ somit zwei Verschalungen, eine innere und eine äußere, zu. Die äußeren acht -weithin sichtbaren- bis in die Laterne gezogenen weißen, großen Marmorrippen geben der roten Kuppeldeckung markante und klare Konturen.

Es wäre jedoch ein Fehler, Brunelleschis architektonische Leistung oder seine Person zu verherrlichen. Auch er stieß an seine Grenzen und wusste zum Beispiel nicht um die thermischen Schwankungen und ihre Auswirkungen auf Ausdehnung und Kontraktion des Mauerwerks, was zur Folge hatte, dass er die durch derartige Bewegungen verursachten Schäden an den acht Kappen nicht vorhersehen konnte.

Der Bau der 107 m hohen Kuppel mit ihrem Durchmesser von 45 m dauerte 16 Jahre. Nach ihrer Fertigstellung wurde der Dom 1436 durch Papst Eugen IV. eingeweiht.

Die Laterne wurde erst im Jahre 1461 aufgesetzt. Da sie häufig von Blitzen getroffen wurde verlangte sie ständige Reparaturmaßnahmen. Heute wird sie durch eine moderne Blitzschutzanlage vor solchen Beschädigungen bewahrt.