Las obras comenzaron en 1420 dirigidas por Filippo Brunelleschi y Lorenzo Ghiberti tras ganar con una maqueta realizada entre ambos el concurso anunciado dos años atrás por la Ópera del Duomo.
Ya en 1387 se aprobó una maqueta, proyectada por un grupo de ocho artistas, sobre las que tenían que estar basados obligatoriamente los trabajos futuros. Desde entonces, cada maestro de obras del Duomo juró respetar esta maqueta, incluido Brunelleschi. Para dar forma visible a este grandioso proyecto era necesario encontrar los medios técnicos con los que construir la cúpula, el concurso anunciado en 1418 se refería, por tanto, a la técnica de la construcción de la cúpula.
Brunelleschi solucionó el principal problema del gran tamaño de la cúpula mediante el sistema de la estructura doble, y desarrolló pormenorizadamente todos los detalles que implicaba: simplificación de los medios de soporte reduciendo el peso de la mampostería; un ingenioso sistema en espina de pez ya empleado en algunos edificios de la Antigüedad; sustitución de las inadenuadas cadenas de cable horizontales por aristas de piedras cuidadosamente calculadas que unían y reforzaban las estructuras; y supuervisó hasta el mínimo detalle de las obras, realizando incluso modelos exactos de las formas de los ladrillos.
Brunelleschi concibió además todos los andamios, ideando un sistema de elevación para transportar los materiales de construcción a la zona de la cúpula e incluso llegó a obtener por parte del Doumo un permiso especial para ello que le otorgó ciertos derechos a utilizar sus inventos que se aproxima mucho al concepto moderno de patente y al reconocimiento de la propiedad intelectual.
Brunelleschi estaba defendiendo, quizá por primera vez en la Historia, el punto de vista del arquitecto como único responsable frente a la autoridad de la Ópera del Duomo, y en este reconocimiento se observa el cambio que comienza a experimentarse entre las relaciones entre el arquitecto y sus patronos.
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