A cúpula de Santa Maria dell Fiore ou cúpula de Santa Maria da Flor, também conhecida por cúpula de Brunelleschi ou cúpula do Duomo de Florença, constitui o telhado do cruzeiro da catedral de Santa Maria del Fiore de Florença. Foi a maior cúpula do mundo após a queda do Império Romano do Ocidente. Foi concebida, projetada e construída por Filippo Brunelleschi, que com esta obra deu inicio ao renascimento italiano e florentino na arquitetura. É considerada a construção mais importante construída na Europa desde a época romana pela relevância fundamental que desempenhou para o posterior desenvolvimento da arquitetura e da conceção moderna de construção.​

A cúpula tem uma forma pontiaguda e é composta por oito arcos quebrados, revestidos com telha de barro vermelho e delimitada por oito nervuras de pedra branca. Toda a estrutura assenta sobre um tambor também octogonal, perfurado por oito áculos para iluminação interior. Os nervos convergem num anel octogonal superior, coroado por uma lanterna, elemento que também contribui para a entrada de luz. O interior é composto por dois casquetes ou "cúpulas", um interior e outro exterior, construídas com tijolos dispostos em forma de "espinha de peixe". Estão ligados entre si a partir de uma grelha interna formada por nervuras, que suportam a cúpula e contribuem para a sua estabilidade. O vão que fica entre as duas cúpulas forma um espaço por onde se ascende à lanterna. A face interna da cúpula é decorada com afrescos e em têmpera representando o Juízo Final.

As proporções do conjunto são monumentais. A altura máxima da cúpula é de 116,50 metros, o diâmetro máximo da calota interior é de 45,5 metros e o exterior de 54,8 metros. A base das impostas está a 55 metros do solo. O tambor, com 13 metros de altura e 43 metros de largura, está localizado a 54 metros do solo. A calota interior tem uma espessura na sua base de 2,20 metros, diminuíndo para 2 metros no topo, enquanto a calota exterior tem uma espessura que varia de um metro a 0,40 metros. O anel superior do fecho da cúpula encontra-se a 86,70 metros do solo.​​ A lanterna tem 6 metros de diâmetro e 22 de altura. As cortinas trapezoidais medem 17,50 metros de comprimento e têm 32,65 metros de altura.​​ O peso total estimado da cúpula é superior a 30.000 toneladas (embora noutras fontes sejam fornecidos números muito mais elevados: cerca de 37.000 ) e calcula-se que tenham sido necessários mais de 4 milhões de Tijolos pelo que a construção detém o recorde da maior cúpula do mundo feita com tijolos.

As suas enormes dimensões inviabilizaram a utilização de métodos construtivos tradicionais com recurso a cofragens, o que incentivou a especulação de diversas teorias sobre a técnica construtiva utilizada. Brunelleschi não deixou registo de qualquer desenho, maqueta ou esboço que indicasse o procedimento utilizado na construção da cúpula

O arquiteto e humanista Leon Battista Alberti afirmou, referindo-se à cúpula:

A construção da cúpula durou 16 anos, de 1420 a 1436. Embora a cúpula só tenha sido concluída até 31 de Agosto com a cerimónia de lançamento da última pedra, a celebração oficial foi a 25 de Março de 1436, dia da festa da Anunciação, primeiro dia do ano no calendário florentino. Esta durou 5 horas, e uma passarela de madeira coberta por um dossel roxo decorado com bandeiras e grinaldas teve de ser construída entre os aposentos papais do mosteiro de Santa Maria Novella e a porta da catedral. À hora marcada para a bênção solene, apareceu o Papa Eugénio IV, e, vestido de branco, iniciou uma lenta procissão ao longo do tapete estendido na passerela, seguido por sete cardeais, trinta e sete bispos e arcebispos e pelas autoridades da cidade, chefiadas pelo Gonfaloniero e pelo Prior. Foi também comemorado com a primeira estreia do moteto isorrítmico de Guillaume Dufai Nuper rosarum flores, com referências ao escudo de Florença e à dedicatória da basílica de Santa Maria da Flor.

Terminada a construção da cúpula, foi convocado outro concurso público para a lanterna, novamente ganho por Brunelleschi, que iniciou as obras em 1446, poucos meses antes de falecer, pelo que o seu trabalho teve de ser retomado sob a direção do seu amigo e discípulo Michelozzo di Bartolomeo, terminando totalmente a 23 de abril de 1461. e a decoração pictórica do interior da cúpula durou de 1572 a 1579.

A lanterna sofreu vários contratempos ao longo da história por causa do relâmpagos. Os mais consideráveis foram registados em 1492 e 1601, quando a cruz e a bola de Verrocchio foram derrubados, danificando gravemente a lanterna, tendo sido restaurados em 1602. A estrutura sofreu também vários sismos, sendo os mais notáveis ​​os que ocorreram em 1453, 1542 e 1695.

Em 1639, registaram-se várias fissuras na cúpula que discorriam verticalmente desde o topo dos soportais dos painéis cegos, passando pelos óculos até chegar à lanterna. Mais tarde, observou-se que estas fissuras sofriam ciclos sazonais alternados de dilatação e contracção em função da temperatura. Em 1757, o jesuíto e o matemático Leonardo Ximenes já apontavam a existência de diversas fissuras angulares na face interna das oito arestas que se cruzavam nos painéis, localizadas na terceira cúpula. Estas fissuras desenvolveram-se lentamente ao longo dos séculos, razão pela qual foram levadas a cabo, desde a década de 80 do século anterior, diversas investigações e estudos para monitorizar e controlar o comportamento estrutural da cúpula.

Em 1982, o centro histórico de Florença, incluindo a Catedral de Santa Maria del Fiore e a sua cúpula, foram declarados Património Mundial pela UNESCO.