При проектировании купола, венчающего восьмигранник, возникла техническая проблема, так как власти не хотели оплачивать строительство высоких лесов. После жарких дискуссий был приглашен великий скульптор, архитектор и золотых дел мастер эпохи Возрождения Филиппо Брунеллески, обещавший обойтись при возведении купола без дорогостоящих подмостков. Мастер не раскрывал деталей своего замысла вплоть до его полного воплощения..
Брунеллески построил систему из восьми угловых ребер, соединенных разгрузочными перемычками так, что ребро напоминало рыбью кость. Кирпичи особого качества укладывались не горизонтально, а наклоном внутрь. Для увеличения прочности между элементами кирпичной кладки располагались связи из цельных кусков бута. Своды росли равномерно, проем постепенно уменьшался. В верхней части купол -двойной. Между внутренней оболочкой толщиной 2,2 м и внешней, сделанной для защиты от влаги и для большей округленности купола и потому имеющей толщину 0,85 м, сделана лестница с 463 ступенями для подъема на балкон фонаря.