[26]​ Brunelleschi perfeccionó su modelo, «grande como un horno», aportando una mayor información para demostrar la viabilidad de una cúpula sin armazón.

[16]​ En 1639 se registraron en la cúpula diversas grietas que corrían verticalmente desde la parte superior de las arcadas en los paños ciegos, atravesando los óculos hasta llegar a la linterna.

Se observó que dichas grietas experimentaban ciclos alternos estacionales de dilatación y contracción según la temperatura.

La exterior tiene una misión de conservación y protección frente a los agentes externos,[42]​ mientras que la interior desempeña una función estructural.

Nueve arcos de mampostería se distribuyen horizontalmente en planos paralelos a cada paño, uniendo las costillas principales con las menores.

Además de estas, se realizaron otros pequeños agujeros rectangulares para iluminar y ventilar el hueco existente entre los dos casquetes.

Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que las medidas reales de la cúpula estaban calculadas en brazos florentinos[nota 7]​y no según el sistema métrico decimal.

[nota 8]​De este modo, el perfil apuntado resultante es un segmento circular cuyo radio es una quinta parte mayor que la luz de la bóveda.

[60]​ Como demostrarían posteriormente Leibniz, Huygens y Bernoulli a finales del siglo XVII, esta es la forma más estable para diseñar una cúpula autoportante, es decir, que se sostiene por su propio peso.

[72]​ Por otra parte, en Italia no era posible obtener las grandes vigas disponibles en el norte de Europa, y aunque se hubiese podido, las enormes vigas empleadas en las catedrales de Francia e Inglaterra no habrían sido suficientes para sostener una bóveda como la que se pretendía construir.

Los operarios debían comprometerse a seguir unas reglas de comportamiento precisas, y los salarios eran asignados según la calidad del trabajo realizado.

[86]​ Además del cabrestante reversible, en la construcción se emplearon grúas y maquinarias que subían con precisión cargas pesadas, ubicadas en el andamiaje interno o en los muros de la cúpula.

Muchos otros mecanismos y dispositivos utilizados, tales como cabrestantes ligeros o montacargas giratorios cableados, se atribuyen también a Brunelleschi.

[87]​ Estos mecanismos empleados para elevar los materiales durante la construcción marcan por sí mismos un gran hito en la tecnología de la edificación.

Este hecho, que nunca se había percibido anteriormente, indujo a examinar con más detalle la disposición de los ladrillos.

[114]​ Este procedimiento determinaría la posición e inclinación de los ladrillos durante el proceso constructivo,[110]​ que no habrían estado colocados según una disposición circular, sino cóncava respecto al lado opuesto del octógono.

[110]​ Brunelleschi habría empleado para ello una curva «pseudocircular»,[nota 23]​trazada desde el andamio circular situado en la base de las impostas, y con centro en la vertical del edificio.

[110]​ Según esta hipótesis, la disposición a cuerda floja no tendría ninguna función estructural, sino que sería una consecuencia del método constructivo empleado mediante la plantilla en forma de flor.

[16]​ Para su construcción se utilizaron diversas máquinas e invenciones ideadas por el propio Brunelleschi, entre ellas una grúa giratoria y un armazón de madera.

Se cree que Brunelleschi pudo haberse inspirado para su diseño en la orfebrería religiosa, como los incensarios o las custodias, aumentados a escala monumental.

Un primer apunte, en lo que respecta a las dimensiones, había sido ya esbozado por Brunelleschi en la maqueta en madera atribuida al propio arquitecto y conservada en el Museo de la Opera del Duomo.

[133]​ A este modelo le siguió otro realizado por Antonio Ciaccheri entre 1452 y 1460, que probablemente recogía algunas indicaciones del propio Brunelleschi.

La normativa imponía que debían trabajar en equipo y respetar la propuesta parcialmente construida hasta la fecha, con el fin de evitar sobrecostes innecesarios.

[134]​ Sin embargo, las obras se interrumpieron en 1515, con la balaustrada finalizada solo en el lado de la cúpula recayente hacia la vía del Proconsolo.

Los motivos de la paralización puede que se debieran al escaso éxito obtenido entre los florentinos o a las críticas expresadas por los ciudadanos y en especial por Miguel Ángel.

Quizás Brunelleschi conoció la cúpula de la Domus Aurea, levantada sobre un pabellón octogonal y construida con hormigón fresco, que requirió cimbras durante el fraguado.

[nota 30]​Asimismo, introdujo un sistema de dieciséis nervaduras que convergían hacia la coronación, unían ambos casquetes y sujetaban la linterna.

[164]​ Aunque fuese construida con técnicas novedosas, la cúpula siempre tuvo una inspiración directa en la del baptisterio, de la cual tomó su desarrollo y su forma octogonal.

[18]​ Entre las más de 700 figuras se representan 248 ángeles, 235 almas, 21 personificaciones, 102 personajes religiosos, 35 condenados, 13 retratos, 14 monstruos, 23 niños y 12 animales.

El Cristo Juez, representado con gran hieratismo, está ubicado entre la Virgen María y san Juan Bautista.