La cúpula se encuentra justo sobre el altar mayor y la tumba del Apóstol Pedro. Concebida por Miguel Ángel, fue terminada 24 años después de su muerte según el diseño definitivo de Fontana y Della Porta, quien modificará el perfil para hacerlo más peraltado que el previsto por Miguel Ángel. La forma se aproxima a la de la catedral de Florencia, pero el trasdós se ha trabajado como se se tratara de la fachada de un edificio, por eso se cubre con ventanas. Es una cúpula circular, pero con nervios que, además de atar la cúpula, evitan la monotonía. Para hacerla más esbelta, y que no apareciese achaparrada, la levanta sobre un robusto tambor rematado con un ático. Frontones, columnas, guirnaldas, ventanas, etc. dan  a esta obra un valor plástico extraordinario. Se comporta como un escultor, su verdadera vocación.

Siguiendo el modelo de la cúpula de la catedral de Florencia, también Miguel Ángel proyectó una doble cúpula, una interior y otra exterior. Con ello logra que la vista exterior evite un feo abombamiento.

El diámetro de la cúpula es de 42,5 metros. Y su altura es de 132 metros. La inscripción que se ve como un cinto en la base de la cúpula dice: "Tu eres Pedro, y sobre esta Roca edificaré mi Iglesia, y te daré las llaves del cielo". Las letras miden 2 metros de altura. Los mosaicos son de Giuseppe Cesari.

Grabado de Stefan du Pérac publicado en 1569, cinco años después de la muerte de Miguel Ángel.