В 1425 году Уччелло переехал в Венецию, где жил и работал в течение пяти лет. По всей видимости, в эти годы он не прекращал писать, однако ни одна из работ того периода не сохранилась. Есть сведения, что он принимал участие в выполнении мозаичных картин, украшавших фасад собора Сан-Марко.
Вернувшись во Флоренцию, Уччелло практически сразу получил заказы. В частности, им были выполнены росписи двора Кьостро Верде («История Адама и Евы», ок. 1430, монастырь Санта-Мария Новелла, Флоренция).
После возвращения в родной город Уччелло присоединился к кругу выдающегося архитектора периода Возрождения — Филиппо Брунеллески — и вместе с ним увлекся идеей перспективы, которая стала его самой большой страстью на долгие годы. Создавая свои картины, он уделял перспективе наибольшее внимание, и от этого немного проигрывали сами предметы, которые он с такой старательностью размещал на полотне.
В жизни мастера бывали периоды, когда он по нескольку дней или недель не выходил из дома, изучая законы перспективы. Таким образом он в совершенстве овладел способом изображения зданий по планам и разрезам, нанося на бумагу или полотно линии, расстояние между которыми постепенно сокращалось, в результате чего линии сходились в одной точке. Непрерывно практикуясь, Уччелло научился правильно размещать человеческие фигуры, животных и другие элементы композиции, сильно опередив в этом отношении других художников того времени.
В 30-х годах XV столетия Уччелло получил крупный заказ на выполнение нескольких фресок для украшения собора Санта-Мария дель Фьоре. В 1436 году он закончил фреску «Кондотьер Джованни Акуто».
Она была посвящена англичанину Джону Хоквуду, который в XIV веке командовал армией флорентийцев в войне против Милана. Фреска украшала фасад собора, а позднее была перенесена на его внутреннюю стену. Художник изобразил военачальника в профиль, верхом на коне. При выполнении этого заказа он использовал технику кьяроскуро, благодаря чему при взгляде на фреску зрителям казалось, что фигура объемна.
В 1440 году Уччелло создал фресковый цикл «История святых» для украшения двора и церкви Сан-Миньято, а через три года расписал циферблат церковных часов собора Санта-Мария дель Фьоре. В том же 1443 году мастер превосходно выполнил необычный заказ — два больших витража, также для собора Санта-Мария дель Фьоре. На стенах госпиталя Сан-Мартино алла Скала сохранились фрагменты фрески «Рождество» (1446).
Художник часто общался с Донателло, который являлся его другом. В 1445–1446 годах Уччелло даже жил в Падуе в мастерской скульптора и помогал ему в работе над конной статуей Гаттамелаты. В это же время он выполнил большую фреску «Гиганты» в Каза Виталиани, которая до наших дней не сохранилась.
В начале 50-х годов, когда художнику было уже за пятьдесят, направление его творчества изменилось. Он перестал выполнять заказы на фрески и начал создавать картины на светские сюжеты, предназначенные для украшения не церквей, а дворцов. Для некоторых картин Уччелло выбирал религиозные или мифологические сюжеты («Битва св. Георгия с драконом», ок. 1456, Национальная галерея, Лондон; вариант — ок. 1456–1460, Музей Жакмар-Андре, Париж). На картине «Охота» (ок. 1460, Музей Ашмолеан, Оксфорд) показана чисто светская сценка.
Самой известной и интересной из работ этого периода является триптих «Битва при Сан-Романо» (1456, Уффици, Флоренция). Его заказал Козимо Медичи для украшения своего дворца. Эту картину с полным правом можно отнести к историческим, несмотря на то что первым художником, работавшим в этом жанре, официально считается Веласкес.
Уччелло изобразил на полотне один из последних эпизодов войны Флоренции и Милана, произошедший 1 июля 1432 года. На рассвете кондотьер Никколо да Толентино опередил основное войско с отрядом, состоящим всего из двадцати всадников. Думая, что дорога свободна, воины быстро мчались вперед и неожиданно столкнулись с многочисленным войском города Сиены, который воевал на стороне Миланского герцогства. Битва произошла в долине реки Арно около укрепления Сан-Романо. Кондотьер и его воины мужественно сражались с сиенцами в течение восьми часов, после чего подоспела основная армия Флоренции, ударила с тыла и разгромила врагов.
Не стремясь показать всю битву, художник выбрал три сцены, которые посчитал самыми интересными и важными. Во дворце Медичи картины висели на одной стене, разделенные только узкими пилястрами (вертикальными выступами на поверхности стены). Они не составляли единого изображения, но тем не менее смотрелись гармонично.