Брунелески се записва за участие и предлага купол с яйцевидна форма, поддържан от каменни ребра на кръстовидния свод. Решават, че от единадесетте подадени предложения неговото е най-добро. Съдиите искат да се уверят, че може да изпълни задачата, преди да го обявят за победител, и настояват да узнаят как точно възнамерява да изгради купола. Брунелески остава непреклонен в отказа да разкрие тайната си и на свой ред задава въпрос в отговор на настояванията на комисията: изважда от джоба си яйце и пита членовете дали някой от тях може да го закрепи право. Когато никой не успява, Брунелески рязко удря яйцето в масата, счупва го, но го задържа изправено. Членовете на комисията възразяват, че всеки от тях може да го направи, а Брунелески им отговаря: „Така е, но бихте казали същото, ако ви издам как възнамерявам да построя купола.“
Комисията не е убедена. В крайна сметка присъждат победата на неговия проект, но за да се предпазят, поставят едно условие — Брунелески трябва да си вземе съдружник, който да му помага в този строеж. Съдружникът, избран от комисията, е Гиберти и когато Брунелески научава, че трябва да работи заедно с най-големия си съперник, до такава степен излиза извън себе си от ярост, че комисията се вижда принудена да извика дворцовата стража, за да го изведат насила и да го изхвърлят на площада. В крайна сметка, благодарение на чистото упорство и твърдоглавие Брунелески постига своето. Но дори и след това остава не по-малко подозрителен — от този момент нататък ревностно пази тайните на начините си за строеж, като изпълва чертежите си с тайни символи и използва свой код с арабски цифри за изчисленията. Неговите начини не само са тайни, но много от тях никога не са изпробвани, рискът е огромен и дори самият Брунелески не е сигурен, че ще проработят. Решава да издигне купола без поддържащо скеле и измисля начин, при който камъните на арките сами се поддържат по време на строежа. Тайната на този начин е заимствана от Пантеона в Рим — издига два купола, един в друг, като единият поддържа другия, а тухлите на вътрешния купол са подредени зигзагообразно при зидането, за да се застъпват и крепят. Всички тези техники обаче са много повече от просто възпроизвеждане, защото римляните може да оставят купола след себе си, но не оставят указания за начина на изграждане. Което значи, че когато се стига до същинските подробности на строежа, Брунелески трябва да прибегне до смесица от изучаване и нагаждане на историята, вдъхновени предположения и гениални нововъведения. Познанието се възражда, но в същото време се и приспособява. Резултатът е едно величествено произведение на изкуството, един от шедьоврите на Ранния ренесанс. Това е и върхово достижение на инженерната мисъл — за изграждането на купола са използвани четири милиона тухли, тежащи около 1 500 тона, Брунелески не само конструира кран, който да ги вдига, но по-късно измисля и нов подемник, оказал се още по-ефикасен. За пореден път изкуството се нуждае от науката — още в самата зора на Ренесанса двете са неразделни и напредъкът на едното се оказва невъзможен без напредъка на другата.
Строежът на купола на „Санта Мария дел Фиоре“ отнема на Брунелески над петнадесет години и приключва през 1436 година. Този забележителен и нов архитектурен символ променя силуета на Флоренция. Същевременно обаче градът се променя и на улично ниво. Брунелески работи над купола, но продължава работата си за Козимо над капела Медичи в църквата „Сан Лоренцо“ и завършва много други проекти в града. След смъртта на Джовани Козимо де Медичи е свободен да излива пари в няколко проекта за сгради и в центъра на средновековна Флоренция започва да се появява нов ренесансов град. Архитектите, избрани от Козимо — Брунелески, Донатело и Микелоцо, изучават руините на Древния Рим и продължават напред, като изграждат свои версии на римския класически стил във Флоренция.
Новото изкуство се нуждае от науката, но със сигурност се нуждае и от пари, до голяма степен набавяни от Козимо, който, както пише един възхищаващ му се историк, „се оказва твърдо решен да превърне средновековна Флоренция в един напълно нов ренесансов град.“ Това изобщо не е преувеличение, защото Козимо финансира строежа или обновяването на дворци и библиотеки, църкви и манастири. След години, когато проверява счетоводните книги, внукът му Лоренцо Великолепни остава смаян от сумите, изсипани от Козимо в тези проекти: от сметките става ясно, че между 1414 и 1471 година е похарчена впечатляващата сума от 663 755 златни флорина. Козимо умира през 1464 година, но оставените в наследство и незавършени проекти продължават. Трудно е да поставим подобна сума в определен контекст, но е достатъчно да споменем, че само век по-рано всичките авоари на великата банка „Перуци“ в зенита ѝ, събрани със сумите от всичките й клонове из цяла Западна Европа, Кипър и Бейрут, са равни на 103 000 златни флорина.