大教堂的設計很有創(chuàng)造性，平面大體還是拉丁十字式的，但東部卻是一個以穹頂為中心的集中式的形體。穹頂是八邊形的，最大直徑42.2米，比羅馬的萬神廟只小了不到7米。但是，主教堂大部分建造完畢之后，那個八邊形的頂蓋卻造不起來，它不但直徑大，而且墻高已經達到50米，連腳手架的架設都是很艱巨的工程。
耽擱了幾十年之后，15世紀初，布魯內列斯基著手研究這個頂蓋。瓦薩里在《意大利畫家、雕刻家和建筑家傳記》里說：“當人間已經這么久沒有一個能工巧匠和非凡天才之后，菲利波（即布魯內列斯基）注定要給世界獻上最偉大和最崇高的建筑，超邁古今，這是天意?！?br>布魯內列斯基出身于手工業(yè)工匠，鉆研了當時先進的科學特別是機械學，精通機械、鑄工，在透視學和數學等方面都有建樹，在雕刻和工藝美術上有很深的造詣。經過刻苦努力，他掌握了古羅馬、拜占庭和哥特式的建筑結構。為了設計穹頂，他在羅馬逗留幾年，潛心鉆研古代的拱券技術，測繪古代遺跡?；氐椒鹆_倫薩后，做了穹頂和腳手架的模型，制定了詳細的結構和施工方案。1420年，在佛羅倫薩政府召集的有法國、英國、西班牙和日耳曼建筑師參加的會議上，他獲得了這項工程的委任。同年動工興建，1431年完成了穹頂，接著建造頂上的采光亭。
