Il problema della sua costruzione affannava da tempo gli operai del Duomo. Non era infatti impresa semplice costruire e individuare dove appoggiare le enormi centine di legno che avrebbero dovuto sostenerla fino alla sua chiusura definitiva con la chiave di volta, né si era certi che una struttura di sostegno in legno avrebbe potuto sostenere il peso della volta o addirittura collassare su sé stesso.

Molto probabilmente il primo architetto della nuova Cattedrale, Arnolfo di Cambio, doveva aver previsto una copertura a cupola del presbiterio, come nelle cattedrali di Siena e di Pisa. Che poi ancora nel Trecento si pensasse ad una Cupola di minori dimensioni sembra provato dal noto affresco di Andrea Bonaiuti in una delle pareti della sala capitolare, il Cappellone degli Spagnoli, della basilica fiorentina di Santa Maria Novella. L'affresco, datato 1365-1367 circa, mostra sul fondo una chiesa in cui è chiaramente riconoscibile una Cattedrale ispirata al progetto di Santa Maria del Fiore, la cui cupola è però priva del tamburo ed è a tutto sesto (al tempo irrealizzabile in muratura).

Nel 1418 l'Opera del Duomo bandì un concorso pubblico per la costruzione della cupola.[1] In seguito al concorso, che pure ufficialmente non ebbe vincitori, Filippo Brunelleschi e Lorenzo Ghiberti furono nominati capomastri. Il 7 agosto 1420 ebbe inizio la costruzione della cupola,[2] che fu completata fino al cosiddetto "serraglio", alla base della lanterna il 30 agosto 1436.[3]

Il grandioso cantiere aprì i battenti all'indomani della stesura del cosiddetto "dispositivo" del 1420, attribuito allo stesso Brunelleschi, in cui si esponeva il modo con il quale si sarebbe dovuto chiudere il tamburo e si precisavano per punti salienti le modalità di costruzione. In sostanza, si trattava di un singolare "programma dei lavori" che sintetizzava in poche righe la struttura, la forma e le dimensioni del manufatto, ma più che esprimere un'intenzionalità programmatica, Brunelleschi enunciava il progetto impartendo disposizioni esecutive. In quei dodici punti da lui elencati non solo era contenuta già l'opera finita, ma vi erano persino indicate quelle variazioni, incidenti e aggiunte che si sarebbero dovute fare.

A seguito di alterne vicende e di un clima di rivalità, a detta del Vasari, nel 1423 Ghiberti venne estromesso dai lavori, che passarono interamente in mano a Brunelleschi. Il cantiere procedette così senza apprezzabili interruzioni, fino a quando, nell'agosto del 1436, venne infine celebrato ufficialmente, con la solenne benedizione di papa Eugenio IV, il completamento della fabbrica. La consacrazione fu solennizzata dall'esecuzione del mottetto isoritmico di Guillaume Dufay Nuper rosarum flores, con riferimento al nome e allo stemma di Firenze nonché alla dedicazione della basilica a Santa Maria del Fiore.

Terminata la costruzione della cupola venne indetto un altro concorso pubblico per la lanterna, vinto sempre da Brunelleschi. I lavori iniziarono però solo nel 1446, pochi mesi prima della morte dell'architetto; essi proseguirono allora sotto la direzione dell'amico e seguace Michelozzo di Bartolomeo, per essere infine terminati da Antonio Manetti il 23 aprile 1461.[4]