Aunque a Brunelleschi se debe la formulación de las leyes de la perspectiva central, tal como afirma Alberti en su tratado Della pintura, en su época, su fama estuvo asociada, sobre todo, a la cúpula de la catedral de su ciudad natal, Florencia. Sus conocimientos de ingeniería le permitieron solventar los problemas, en apariencia insolubles, de la construcción de dicha cúpula, por lo que sus conciudadanos lo reverenciaron. De hecho, en la actualidad la cúpula continúa siendo su obra más admirada. Su proyecto, que representó una gran innovación no sólo artística, sino también técnica, consistía en la superposición de dos bóvedas esquifadas octogonales, una dentro de otra. Esta disposición permitía un reparto de esfuerzos junto con una ligereza excepcional, y se convirtió en el modelo constructivo de cúpula durante varios siglos. El arquitecto florentino partió de la necesidad de una estructura de ocho nervios, que discurren por el exterior y sirven de apoyo para el resto de los elementos decorativos, como los relieves con motivos arquitectónicos, los ocho ojos de buey y la elegante linterna que culmina el conjunto. Por primera vez en la historia una cúpula ofrecía el mismo aspecto estructural en el interior que en el exterior.

La propuesta de Brunelleschi consistió en construir una cúpula apuntada sin centrado o cimbra, o sea, sin un armazón que soportara el peso de la cúpula durante la construcción puesto que ella no podría sostenerse hasta colocar la piedra clave en lo alto de la estructura. Se consideraba obvio hacer una cimbra, armazón o entramado de madera que se apoyaba en el suelo directamente, o sobre una montaña de tierra de considerable altura (así se levantaron algunas cúpulas románicas).

Un problema serio en la construcción de estructuras de gran altura se origina por la necesidad de elevar y colocar con exactitud bloques de piedra y de mármol. Para ello diseño máquinas elevadoras y grúas no conocidas hasta entonces.