L'esecuzione della cupola è stata portata a termine dal Verrocchio nel 1468.
La semplicità dell'esterno della cupola nasconde la complessità della struttura che la sostiene: si tratta infatti di una doppia calotta armata di contrafforti e costruita con materiali diversi e sempre più leggeri man mano che si innalza. La calotta interna è spessa due metri ed è separata da quella interna da una intercapedine che si può percorrere ed è dotata di fori di luce aperti. La lanterna posta alla sua cima, oltre a fornire luce all'interno, serve a contrastare verso l'alto le spinte date dai contrafforti.
Anche l'organizzazione del lavoro, che poneva al centro il ruolo progettuale ed intellettuale dell'architetto e le diverse macchine usate per il trasporto del materiale costituiscono un'innovazione ideata nell'occasione dal Brunelleschi.
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