Tra il 1420 e il 1446 Brunelleschi realizzò da solo la nuova architettura di cui la cupola è l'esempio più significativo.
La cupola del Duomo di Firenze assume la dimensione di un'entità figurativa risolutiva di tutta l'organizzazione urbana nel suo territorio. Il primo significato della cupola nasce dall'aver affermato con coerenza che non si trattava soltanto di creare un'altra grande opera ma di avere una nuova dinamica di rapporti, una struttura capace di riassumere e coordinare le forme preesistenti e future. Nella realizzazione della cupola intervengono le idee architettoniche nel modo di concepire un'opera rinascimentale ma anche soltanto tecniche che potevano risolvere i problemi strutturali. Il problema della cupola affannava da anni gli operai del Duomo, da quando cioè era stato costruito il tamburo ottagonale e non restava, per completare la fabbrica, che coprirlo con la grande volta. Ma come costruire e dove appoggiare le enormi centine di legno, le armature che avrebbero dovuto sostenere la cupola fino alla sua chiusura definitiva con la chiave di volta? Brunelleschi trovò una soluzione rivoluzionaria: piuttosto che ricopiare il metodo romano di costruzione a calotta (Pantheon) o quello medioevale delle centine, propose di alzare la cupola senza armature, inventando una nuova tecnica basata sul calcolo, che sarà poi ripresa anche da Michelangelo. L'architetto equilibrò la cupola mediante una doppia calotta, una collegata all'altra ricorrendo per esempio ad un migliore scarico dei pesi e a vari accorgimenti, fra cui quello a "spina di pesce". La cupola ha una forma gotica perchè è ad arco acuto; ciò era necessario forse per ragioni tecniche ma anche per un preciso rapporto con il resto del Duomo che è pur sempre gotico; tuttavia essa è anche rinascimentale per la sua monumentalità e il suo volume che è definito nello spazio.
Nel 1436 finalmente la grande volta era chiusa eppure l'opera non era completa: mancavano le quattro tribune alla base del tamburo che vennero costruite tra il 1439 e il 1445. La lanterna è l'ultimo elemento per il completamento della cupola. La lanterna ha lo scopo di illuminare l'interno della cupola; i lavori iniziarono nel 1446, pochi mesi prima della morte del Brunelleschi e l'esecuzione venne affidata a Michelozzo. La cupola domina il panorama dell'intera città, non solo per l'altezza (oltre 105 metri da terra e 51 metri di diametro), ma anche per il volume. Occupa quasi il centro geografico di Firenze e della sua vallata e ne costituisce il punto di riferimento e il perno. Nella sua imponenza c'è uno straordinario accordo con la città e soprattutto con i monti circostanti: l'opera, pur dominando la natura, non la stravolge ma la esalta mettendosi in relazione con essa. La cupola dunque rappresenta, nel modo più evidente, l'idea rinascimentale dell'uomo, padrone in virtù della ragione, dell'ambiente circostante, non per conquista ma per accordo naturale. E proprio per l' intervento del Brunelleschi che Firenze, pur essendo ancora in sostanza medioevale, si propone sempre fino ad oggi come città "rinascimentale". Le realizzazioni e i progetti più importanti del '400 sono legati ai nomi di grandi committenti ( Medici, Montefeltro, Estensi, Gonzaga, Piccolomini) e di grandi architetti (Brunelleschi, Alberti, Michelozzo,Pesellino, Laurana, Rossetti ecc.). Gli interventi sono fortemente caratterizzati dalle esigenze e dalle personalità del committente; si tratta dunque di strutture e di forme nelle quali sono soprattutto gruppi di potere a rispecchiarsi.