Cały czas jednak nie rozwiązano problemu konstrukcji gigantycznej kopuły. Z zadaniem tym uporał się ostatecznie Filippo Brunelleschi wspomagany przez Lorenzo Ghibertiego. Zaprojektowali oni unikatową formę złożoną z serii podtrzymujących się wzajemnie okręgów, które zamykał położony na szczycie pierścień (w późniejszym czasie zwieńczony świetlikiem). Realizacja tego śmiałego projektu była możliwa bez wznoszenia rusztowań, co przy wysokości, na jakiej prowadzono prace, było nie do przecenienia. Kopułę zaopatrzono w podwójne poszycie, a pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną warstwą umieszczono schody, którymi dotrzeć można na umieszczony na samej góre taras widokowy. Prace nad kopułą ukończono w roku 1461, już po śmierci projektanta. Główną fasadę katedry-nawiązującą swym neogotyckim charakterem do kampanili Giotta-ukończono ostatecznie dopiero w roku 1887.
