К XIII веку Флоренция становится доминирующим городом-государством в Тоскане и считается весьма богатым городом – городом банкиров, ювелиров и успешных торговцев. Флорентийский Приорат решив, что городской собор Санта-Репара «слишком грубо сделан и слишком мал для такого города», в 1294 году обнародовал указ о строительстве собора, который «восхищал бы своим богатством и великолепием так, чтобы невозможно было создать человеческими руками ничего более величественного и прекрасного».
В том же году Гильдия искусств поручает строительство собора зодчему Арнольфо ди Камбио, уже прославившемуся благодаря строительству флорентийской церкви Санта-Кроче.
Легат папы Бонифация VIII, кардинал Пьетро Валериано Дурагуерра заложил первый камень в основание собора 9 сентября 1296 года в присутствии многочисленных священнослужителей, городских чиновников и большого количества горожан. Строительство собора Дуомо велось вокруг старой церкви Санта-Репара таким образом, что церковь продолжала действовать еще в течение многих десятилетий до 1375 года.
Как и многие средневековые храмы, Санта Мария дель Фьоре (La Cattedrale di Santa Maria del Fiore) строился долго – почти шесть веков и был спроектирован так, чтобы вместить всё население города – 30 000 человек. На строительство Собора Девы Марии с Цветком направлялись средства налога на собственность горожан, налога на наследство и штрафы за пьянство. Проект собора создал Арнольфо ди Камбио; он же начал строить стены.
В 1331 году гильдия торговцев шерстью взяла на себя попечение над строительством и назначила на пост главного архитектора Джотто, который вместо продолжения строительства собора начал в 1334 г. строительство 
Кампанилы. С 1349 года после завершения эпидемии чумы работы возобновились и продолжались под руководством еще 6 архитекторов. К 1380 году стены здания были, наконец, возведены, но возникли проблемы со строительством купола: 45-метровое отверстие под купол слишком велико и перекрыть его никак не получается. Возник перерыв в строительстве на 40 лет.
Раннесредневековые купола возводились на деревянном каркасе, который удерживал внешнюю кирпичную кладку до тех пор, пока не застывал раствор. Но если возводить купол собора по такой схеме, то на строительство деревянного каркаса не хватит всех деревьев Тосканы, а стены не смогут выдержать давления 25-тонного купола. Выдвигалось множество идей по технологии строительства купола. Предлагалось строить его из пензы, пористого и легкого вулканического камня, или поддерживать купол во время строительства земляной насыпью с зарытыми в ней монетами, а после завершения строительства насыпь растащат охочие до денег флорентийцы.
В 1418 году городские власти объявили архитектурный конкурс на лучшее инженерное решение строительства купола собора. Оригинальный проект Филиппо Брунеллески стал победителем конкурса, но глава конкурсной комиссии олигарх Джованни Медичи приставил к нему в начальники своего протеже Лоренцо Гиберти. С Гиберти Брунеллески уже сталкивался, именно Гиберти увел у Брунеллески заказ на изготовление ворот во флорентийском Баптистерии, ворот, впоследствии названных «Вратами рая».
Два назначенных архитектора ругались сутками напролет, а работа не двигалась. Брунеллески скрывал от конкурента детали технологии строительства, и свои эксперименты проводил скрытно, вырезая кирпичики из свеклы. По окончании тестов свекольные сооружения безжалостно съедались. Гиберти называл проект чистым безумием, но не мог предварительными расчетами подтвердить или опровергнуть его состоятельность и лишь восклицал: «То, чего не может быть, быть не может!». На что Брунеллески отвечал: «Если бы собор был посвящен кому-нибудь другому, а Святая Дева Мария не даст возводимому куполу упасть».
С Гиберти Брунеллески боролся старым способом, известным любому школьнику: он объявлял себя больным и ждал, когда без него работа встанет. И в его отсутствие работа действительно замирала быстро и с завидной регулярностью. Городским чиновникам Брунеллески говорил: «А зачем я вам нужен? У вас есть мой проект, у вас есть Гиберти с его надзорной комиссией, вот пусть они и строят». В итоге, Гиберти ничего не оставалось, как публично признать, что кроме Брунеллески купол никто не построит. Так молодой гениальный архитектор получил полную самостоятельность и больше никто не смел диктовать ему никаких условий за время осуществления проекта с 1420 по 1434 годы.
Еще в 1402 году Филиппо Брунеллески вместе со своим другом Донателло ездил в Рим учиться на работах великих зодчих античности. Именно в Риме он подсмотрел метод располагать кирпичи таким образом, чтобы они под нагрузкой не рассыпались, а поддерживали друг друга. Взяв идеи римлян за основу, Брунеллески решил делать двойной купол. Внутренний — из кирпича, выложенного специальным зигзагом: этот хитрый рисунок укладки и толщина стен, уменьшавшаяся с высотой, не позволяли кирпичам падать внутрь.
Одновременно строился внешний купол, соединенный с внутренним сложными треугольными конструкциями из деревянных балок. Оба купола были не круглые, а восьмигранные, чтобы обеспечить распределение веса на 24 ребра и 6 горизонтальных колец. Кроме того, вокруг внутреннего купола через небольшие промежутки были пущены цепи, чтобы держать стены вместе. Такая конструкция позволила полностью отказаться от строительных лесов. Над куполом Филиппо расположил архитектурный беломраморный фонарь, который окончательно стабилизировал всю постройку.
Брунеллески лично участвовал во всех деталях, вплоть до решения конфликтов с каменщиками и отличался жестким подходом – когда каменщики вздумали бастовать, требуя повышения зарплаты, он их моментально уволил, наняв крестьян и лично обучив их основным навыкам. Каменщики вскоре попросились обратно и дальше работали без претензий.
В какой-то момент Брунеллески установил на лесах на невероятной высоте походные кухни для строителей, чтобы они не теряли времени, спускаясь и поднимаясь во время обеда. Архитектор использовал легкие строительные материалы, быстросохнущий раствор и специальные инструменты. Кроме этого, Брунеллески придумал машину, поднимающую камни и кирпичи на большую высоту, также взяв за основу древнеримские приспособления.
Так всего за 15 лет было создано архитектурное 107-метровое чудо, парящий в воздухе — самоподдерживающийся купол флорентийского Дуомо. Славе архитектора Филиппо Брунеллески способствовало и то, что купол освятил сам папа Евгений IV.
Спустя много лет папа Юлий II, закладывая собор Святого Петра в Ватикане, попросил Микеланджело сделать для него купол еще больший, чем флорентийский, но услышал в ответ: «Купол флорентийского Дуомо не то что превзойти, его воспроизвести невозможно!».
Гениальный автор и строитель купола Брунеллески похоронен в 1446 году в соборе Санта-Репара, на месте которого и был возведён Дуомо. На гробнице архитектора надпись на латыни: «Corpus magni ingenii viri Philippi Brunelleschi Florentini» — «Здесь покоится Филиппо Брунеллески, флорентинец большого таланта».
На Соборной площади Флоренции (Piazza del Duomo) установлена статуя зодчего, изваянная его учеником и приемным сыном Андреа Кавальканти. Взгляд Филиппо Брунеллески обращен на свое детище – купол Собора Санта Мария дель Фьоре – купол флорентийского Дуомо.
