作为虔诚的天主教徒，佛罗伦萨人想要为上帝建一座雄伟空前的教堂。按照当时的设想，它长达 150 多米，有一个高达 110 多米的哥特式的尖顶。等花了 80 多年的时间建好四围墙壁后，人们才发现，他们没有技术建造这么大的一个屋顶。于是，科西莫·美第奇就准备通过完成这个教堂的建设，来实现一件前无古人的事情，也顺便荣耀他们的家族。
科西莫等到了菲利波·布鲁内莱斯基（Filippo Brunelleschi，1377—1446）。这个人声称可以通过建造拱顶，而不是尖顶，来解决大教堂的工程难题。几乎所有的人都觉得他是疯子，因为那么大的拱顶从来没有人建造过。但是，科西莫却觉得布鲁内莱斯基的设计可行。于是，科西莫开始资助布鲁内莱斯基
科西莫和布鲁内莱斯基都是非常谨慎的人，他们先是一同到罗马考察了万神殿,它高度近 60 米，有一个直径 40 多米的拱形圆顶。当时，古罗马人是将大理石用水泥砌好的，但是一千多年后，水泥大部分脱落了，而圆顶上的大理石互相卡在一起，并未坍塌。这说明拱顶式的设计在力学上非常合理。
之后，他们先用立柱和圆顶为自己的家祠，也就是今天的圣洛伦佐教堂，作为实验。
有了这次的成功，布鲁内莱斯基顺利的拿下来大教堂圆顶的招标，
为了增加强度，布鲁内莱斯基发明了一种新的超越罗马人的设计——他通过内外两层拱顶的结构，提高了圆顶的强度。这种设计后来被广泛采用。
设计完成后，在建造的过程中又遇到了麻烦。科西莫的两个敌对家族与市政官员勾结，以莫须有的罪名将他逮捕并监禁起来，并且被判了 20 年流放。布鲁内莱斯基失去了庇护，也被投进了监狱，大教堂的圆顶工程就此停工。
科西莫离开佛罗伦萨后，每到一处，当地的有钱人就纷纷拿着钱找上他，佛罗伦萨的财富也在不断地外流。于是，佛罗伦萨市政府不得不把科西莫接回来，并且流放了他的政敌。大教堂的圆顶工程这才得以再开工。
最终，在科西莫支持下，布鲁内莱斯基等人用 400 多万块红砖和其他大量建筑材料，终于在 1436 年完成了大教堂拱顶的建造。从 1296 年大教堂开始建造算起，前后历时 140 年。直到今天，这个拱顶依然是世界上最大的砖结构的拱顶。