Die Duomo in 'n voorstelling daarvan in voltooide toestand, in 'n fresko deur Andrea di Bonaiuto wat in die 1360's geskilder is, voor die aanvang van die bouwerk aan die koepel
Op 18 Augustus 1418 kondig die Arte della Lana 'n argitek-ontwerpkompetisie aan vir die oprig van Neri se koepel. Die twee belangrikste mededingers was twee meestergoudsmede, Lorenzo Ghiberti en Filippo Brunelleschi. Laasgenoemde is deur Cosimo de Medici gesteun. Ghiberti was die wenner van 'n kompetisie vir 'n stel bronsdeure vir die doopvont in 1401 gewees, en die twee sou lewenslank mededingers bly. Brunelleschi het uiteindelik geseëvier en die opdrag verkry.
Ghiberti het as mede-toesighouer 'n salaris gelykstaande aan dié van Brunelleschi verdien. Toe Brunelleschi siek geword het of ongesteld was, is die projek vir kort tye in die hande van Ghiberti gelaat. Maar Ghiberti moes egter gou erken dat die gehele projek bo sy vuurmaakplek was. In 1423 was Brunelleschi weer in beheer en het hy die volle verantwoordelikheid oorgeneem.
Die katedraal van Florence is gebou as 'n basiliek, met 'n breë sentrale naaf van vier vierkantige inhamme of nisse, met 'n gang aan weerskante. Die kansel en transepte is in 'n identiese veelhoekige plan, geskei deur twee kleiner veelhoekige kapelle. Die hele plan vorm 'n Latynse kruis. Die skip (of naaf) en gange word van mekaar geskei deur breë, puntige Gotiese boë wat op saamgestelde steunpilare rus.
Die afmetings van die gebou is enorm, met 'n bouarea van 8 300 vierkante meter, 'n lengte van 153 m, 'n wydte van 38 m en wydte by die kruising van 90 m. Die hoogte van die boë in die gange is 23 m. Die hoogte van die koepel is 114,5 m.
Die opsigters van die kantoor van werke van die Florence-katedraal, wat meestal uit lede van die invloedryke wolkleedgilde (die Arte della Lana) bestaan het, was van plan om 'n reeks van twaalf groot Ou Testamentiese beeldhouwerke vir die stutte van die katedraal aan te vra.Donatello, wat in die stadium in sy vroeë twintigerjare was, is in 1408 opdrag gegee om 'n standbeeld van Dawid te maak om bo een van die stutte van die katedraal geplaas te word, alhoewel dit nooit daar geplaas is nie. Nanni di Banco is in dieselfde jaar versoek om 'n marmerbeeld van Jesaja te maak. Een van die standbeelde is in 1409 by sy aangewese plek geplaas, maar daar is bevind dat die standbeeld te klein was om geredelik van die grond af sigbaar te wees en dit is dienooreenkomstig verwyder; beide beeldhouwerke het daarna vir etlike jare in die werkswinkel van die opera verdwyn. In 1410 het Donatello die eerste van die standbeelde - 'n figuur van Josua - in terracotta gemaak. In 1409-1411 het Donatello 'n standbeeld van Sint Johannes die Evangelis gemaak wat tot 1588 in 'n nis van die ou katedraal se vooraansig geplaas was. 'n Figuur van Hercules, ook in terracotta, is in 1463 aangevra van die Florentynse beeldhouer Agostino di Duccio en is moontlik onder leiding van Donatello gemaak. 'n Standbeeld van Dawid deur Michelangelo is 1501-1504 voltooi, hoewel dit weens die gewig daarvan ('n allemintige ses ton) nie op die stutte geplaas kon word nie. In 2010 is 'n veselglasreplika van "Dawid" vir een dag op die Florence-katedraal geplaas.
'n Veselglas replika van Michaelangelo se Dawid standbeeld [gesien vanuit die noorde]. Hierdie was die eerste oorspronklike staanplek vir die standbeeld.
Aan die begin van die 15de eeu het die struktuur se koepel na etlike jare se konstruksiewerk steeds ontbreek. Die basiese kenmerke van die koepel is in 1296 deur Arnolfo di Cambio ontwerp. Sy baksteenmodel (4,6 m hoog en 9,2 m lank) het in 'n sygang van die onvoltooide gebou gestaan en was vir 'n lang tydperk as onaantasbaar beskou. Dit het 'n agthoekige koepel behels wat hoër en wyer was as enige koepel wat vantevore gebou is, met geen eksterne stutte om te verhoed dat dit onder sy eie gewig ineenstort nie.
Die bou van so 'n koepel het baie tegniese probleme opgelewer. Brunelleschi het na die groot koepel van die Panteon in Rome vir oplossings gekyk. Die koepel van die Panteon het uit 'n enkele buitedop van beton bestaan, waarvan die formule lank reeds vergete was. Die Panteon het van strukturele sentrering gebruik gemaak ten einde die betonkoepel te ondersteun terwyl dit geset het. Dit was egter nie 'n geldige oplossing vir so 'n groot koepel nie, omrede dit die kerk ontoeganklik sou maak. Buitendien was daar nie nagenoeg genoeg hout in Toskane om die steierwerk en vorms vir die koepel wat Neri ontwerp het (wat 52 m bo die vloer begin en vir 44 m strek) te bou nie.  Brunelleschi het verkies om die ontwerp van 'n dubbele dop te volg wat van sandsteen en marmer gemaak is. Om sy voorgestelde struktuurplan te illustreer, het hy 'n hout- en baksteenmodel met behulp van Donatello en Nanni di Banco gebou, welke model steeds in die Museo dell'Opera del Duomo vertoon word. Die model het as 'n gids vir die vakmanne gedien, maar was doelbewus onvolledig ten einde Brunelleschi se beheer oor die konstruksie te verseker.
Brunelleschi se oplossings was vernuftig, soos sy gebruik van 'n kettingboog ter ondersteuning. Die probleem betreffende die verspreiding van die gewig is opgelos deur 'n stel van vier interne horisontale klip- en ysterkettings, wat as hoepels moes dien en ingebed is binne die binneste koepel: met een aan die bokant en een aan die onderkant, met die oorblywende twee eweredig tussenin geplaas. 'n Vyfde ketting wat van hout gemaak is, is tussen die eerste en tweede klipkettings geplaas. Aangesien die koepel agthoekig eerder as rond was, sou 'n eenvoudige ketting, wat die koepel soos 'n vathoop gedruk het, al sy druk op die agt hoeke van die koepel geplaas het. Die kettings moes stewige oktagone wees, dit wil sê styf genoeg om hul vorm te hou ten einde nie die koepel te vervorm as dit aanmekaar gehou word nie.
'n Sirkulêre messelwerk-koepel kan sonder stutte gebou word. Dit word sentrering genoem, omdat elke baksteenlaag 'n horisontale boog is wat weerstand bied teen kompressie. In Florence was die agthoekige binnekoepel dik genoeg dat 'n denkbeeldige sirkel op elke vlak daarin ingebed kon word, 'n funksie wat die koepel uiteindelik sou ondersteun, maar nie die stene op hul plek sou kon hou terwyl die mortier nog nat was nie. Brunelleschi het gebruik gemaak van 'n Opus spicatum (visgraatsteenpatroon) om die gewig van die neergelegde bakstene na die naaste vertikale ribbes van die nie-sirkelvormige koepel oor te dra.
Brunelleschi se vermoë om die koepel met 'n cupola, oftewel lantern, te voorsien is bevraagteken, en behalwe die voormelde het hy ook nog strawwe kompetisie ondervind, alhoewel daar bewyse was dat Brunelleschi vroeër reeds aan die ontwerp van 'n cupola vir die boonste deel van die koepel gewerk het. Die getuienis daarvoor kan gesien word in die kurwes van die struktuur, wat steiler is as die oorspronklike model.  Hy is as die wenner verklaar bo sy mededingers Lorenzo Ghiberti en Antonio Ciaccheri.
Sy ontwerp (nou te sien in die Museum Opera del Duomo) was vir 'n agthoekige lantern met agt stutte en agt hoë boogvensters. Daar is egter eers 'n paar maande voor sy dood in 1446 met die bou van die cupola begin. Daarna was daar vir 'n tydperk van 15 jaar weinig vordering gemaak weens verskeie wysigings aan die plan. Die cupola is uiteindelik in 1461 voltooi deur Brunelleschi se vriend Michelozzo. Die koniese dak is in 1469 gekroon met 'n vergulde koperbal en kruis wat heilige relikwieë deur Verrocchio bevat. Dit bring die totale hoogte van die koepel tot 114,5 m. Die koperbal is op 17 Julie 1600 deur weerlig geslaan en het neergeval. Dit is twee jaar later deur 'n nog groter een vervang.
'n Groot standbeeld van Brunelleschi staan nou buite die Palazzo dei Canonici in die Piazza del Duomo, welke standbeeld nadenkend opkyk na sy grootste prestasie, die koepel wat vir ewig die panorama van Florence sou oorheers. Dit is steeds die grootste messelkoepel ter wêreld.
In 2010 is 'n veselglas replika van Michelangelo se Dawid standbeeld vir een dag bo-op die Florence-katedraal geplaas [noordaansig]. Dit sou die oorspronklike staanplek vir die standbeeld gewees het.
Die kompetisie vir 'n nuwe fasade het in 'n groot korrupsieskandaal ontaard. Die houtmodel vir die fasade van Buontalenti word tans in die Museum Opera del Duomo uitgestal. 'n Paar nuwe ontwerpe is deur die jare voorgestel, maar die modelle (van Giovanni Antonio Dosio, Giovanni de' Medici met Alessandro Pieroni en Giambologna) is nie aanvaar nie. Die fasade is gevolglik tot die 19de eeu onaangeraak gelaat.
'n Kompetisie om 'n nuwe fasade te ontwerp is deur Emilio De Fabris (1808–1883) gewen. Die werk is in 1876 begin en in 1887 voltooi. Hierdie neo-gotiese fasade in wit, groen en rooi marmer vorm 'n harmonieuse eenheid met die katedraal, Giotto se kloktoring (campanile) en die doopvont. Sommige meen egter dat die versiering daarvan oordrewe is. Die fasade as geheel is opgedra aan die Moeder van Christus.
Bo die fasade is 'n reeks nisse met die twaalf Apostels; in die middel daarvan staan die Madonna en Kind. Tussen die roosvenster en die timpanum is daar 'n galery met borsbeelde van die grootste Florentynse kunstenaars uit die geskiedenis.
Die Gotiese-interieur is ontsaglik groot en gee derhalwe die indruk van 'n leë spasie. Die relatiewe leegheid van die kerk stem ooreen met die soberheid van die godsdienstige lewe, soos deur Girolamo Savonarola verkondig.
Dante Voor die Stad van Florence deur Domenico di Michelino (1465). Hierdie skildery is veral interessant omdat dit 'n blik bied op Florence soos dit daaruit gesien het in 1465, 'n Florence soos Dante self in sy tyd nie kon gesien het nie, afgesien van tonele uit die Goddelike komedie wat deel vorm daarvan.
Christus wat Maria as koningin kroon, die loodglasvormige ronde raam bokant die klok, met 'n ryk skakering van kleure, is in die vroeë 14de eeu deur Gaddo Gaddi ontwerp.
Agter in die middel van die drie apses is die altaar van Sint Zenobius, die eerste biskop van Florence. Die silwer altaar, 'n meesterstuk van Ghiberti, bevat die kruik met sy relikwieë. Die sentrale kompartement toon een van Sint Zenobius se wonderwerke, die herlewing van 'n dooie kind. Bo hierdie altaar is die skildery Die Laaste Avondmaal deur die minder bekende Giovanni Balducci. Daar was ook 'n glas-mosaïekpaneel getitel Die Borsbeeld van Sint Zanobius deur die 16de-eeuse kunstenaar Monte di Giovanni. Dit is tans te sien in die Museum Opera del Duomo.
Dit is voorgestel dat die binnekant van die 45 meter breë koepel met 'n mosaïekversiering bedek word ten einde die beskikbare lig wat deur die sirkelvormige vensters van die drom en deur die cupola val, ten beste te benut.
Brunelleschi het voorgestel dat die dak met skitterende goud bedek word, maar sy dood in 1446 het 'n einde aan hierdie projek gemaak en die mure van die koepel is witgekalk.
Die katedraal het tussen 1965 en 1974 opgrawings ondergaan. Die argeologiese geskiedenis van hierdie enorme gebied is gerekonstrueer danksy die werk van Dr. Franklin Toker: oorblyfsels van Romeinse huise, 'n vroeë Christelike sypaadjie, ruïnes van die voormalige katedraal van Santa Reparata en opeenvolgende uitbreidings van die kerk is onder andere geïdentifiseer. Die graftombe van Brunelleschi is naby die ingang in die gedeelte van die grafkelder wat oop is vir die publiek geleë. Alhoewel die ligging daarvan prominent uitstaan, is die graf egter eenvoudig en nederig van aard. Die feit dat Brunelleschi so 'n opmerklike begraafplek gekry het dien as bewys van die hoë aansien wat die Florentyne vir hom gehad het.
↑ Bartlett, bl. 36–37; volgens Bartlett het die inwoners van Florence vir 'n geruime tyd na konstruksie steeds die katedraal op sy voormalige naam te noem.
↑ Syfers verskil. archINFORM gee 'n 45 m breedte, terwyl Sjabloon:Structurae 'n deursnee van 43 m aan die koepel gee, ander weer so min as 42 m.