La cúpula de Santa Maria dei Fiori és la coberta del creuer de la basílica de Santa Maria del Fiore de Florència. Quan es va construir al segle xv era la cúpula més gran del mon, i encara és la cúpula de maçoneria amb maons més gran mai construïda El diàmetre màxim de la cúpula interna és de 45,5 metres, mentre que el de l'exterior és de 54,8. Va ser projectada i dirigida per Filippo Brunelleschi, qui va iniciar amb aquesta obra el Renaixement italià i florentí en arquitectura. Per la influència fonamental que va tenir per al desenvolupament de l'arquitectura i la concepció moderna d'edificis, encara és considerat per alguns com l'obra arquitectònica més important mai construïda a Europa des de l'antiga Roma.

Les dimensions van impedir utilitzar el mètode de construcció tradicional amb l'ajut de cintres, i per això al llarg del temps es van formular moltes hipòtesis sobre la tècnica de construcció que s'havia d'utilitzar. Brunelleschi no va deixar registre de cap dibuix, maqueta o esbós on explica el procediment que va fer servir per a construir-la.

Les obres de construcció de la cúpula van durar setze anys, des de 1420 fins al 1436. L'any 1446 va començar la construcció del llanternó, el qual va ser acabat l'abril de 1461. El revestiment exterior del cimbori es va executar entre 1512 i 1515, i la decoració pictòrica de l'interior de la cúpula va començar més d'un segle després de la finalització del llanternó, entre 1572 i 1579. S'hi van utilitzar quatre milions de maons, i el pes total de la cúpula és més de 25.000 tones.

Bona part dels pèrits de la societat florentina i italiana del moment s'hi van implicar: arquitectes com Filippo Brunelleschi, Miquel Àngel i el seu mestre Andrea del Verrocchio, l'escultor Donatello, artistes polifacètics com Lorenzo Ghiberti, pintors com Vasari i Federico Zuccaro, o científics com Paolo dal Pozzo Toscanelli. També hi participaren els senyors de Florència, començant per Cosme de Mèdici o el gran duc Cosme I de Mèdici. Com que era part d'un edifici religiós de primer ordre, el papa Eugeni IV la va consagrar.

Com a tota gran obra humana, van haver-hi enfrontaments entre persones; Brunelleschi tenia un caràcter difícil, i les circumstàncies el portaren a forts enfrontaments amb els artistes Lorenzo Ghiberti i amb Antonio de Ciaccheri Manetti. També moments de crisi, com el naufragi del vehicle amfibi, conegut com Il Badalone, dissenyat per Brunelleschi i destinat a transportar marbre des de Pisa fins a Florència.

Els cònsols del gremi de l'Art de la Llana van assegurar el finançament continuat de l'obra, així com la de crear un sistema de govern del consorci «Opera del Duomo» (‘les obres de la catedral’) que havia d'escollir el disseny més idoni que en garantís la seguretat. L'organització de concursos públics per poder escollir en cada fita important les millors idees, permeté mantenir un alt nivell de rigor tècnic i una estètica que continua a suscitar l'admiració fins avui.

És una de les construccions mes característiques de Florència i forma part de la silueta de la ciutat. L'any 1982, el centre històric de Florència, del qual la catedral i la cúpula de Santa Maria del Fiore en formen una part essencial, van ser declarats Patrimoni de la Humanitat per la Unesco.

Al museu de l'Opera del Duomo de Florència es mostren diverses maquetes que van servir per a construir la basílica, així com grues i altres eines dissenyades per Brunelleschi.