В 1401 г. Брунеллески принял участие в конкурсе на оформление вторых дверей баптистерия Сан Джованни. Победителей оказалось двое: Филиппо Брунеллески и Лоренцо Гиберти; им было предложено вести совместную работу, однако Брунеллески отказался, поскольку был горд и предпочитал в выбранном деле быть первым, чем равным или вторым. Вместе со своим другом скульптором Донателло Брунеллески уехал в Рим изучать архитектуру.
Одна из первых крупных работ Брунеллески во Флоренции – купол собора Санта Мария дель Фьоре. Подобно большинству средневековых соборов, Санта Мария дель Фьоре строился веками: его постройку начал в конце XIII в. Арнольфо ди Камбио; в 1355 г. строительство возобновилось, однако первоначальный проект был изменен в связи с расширением собора. К 1367 г. строительство собора было в основном закончено, однако строители столкнулись с неразрешимой задачей: как возвести громадный купол?
С этой задачей справился Брунеллески. Ему предстояло перекрыть без возведения лесов огромный пролет купола (диаметр основания 42 м). Зодчий изобрел необычайно сложную для своего времени конструкцию: легкий пустотелый купол имел двойную оболочку и каркас из восьми ребер, который опоясывали кольца. Грандиозный купол, покрытый темно-красной черепицей, связанный крепкими белыми ребрами и увенчанный изящным беломраморным световым фонарем, торжественно парит над городом как величественный образ Флоренции. Сооружение купола в целом было закончено к 1436 г. Альберти, посвящая Брунеллески свой трактат о живописи, писал, что это «вздымающееся к небесам сооружение осеняет собой все тосканские земли». Творение Брунеллески – предшественник многочисленных купольных храмов в Италии и в других странах Европы.
В 1421–1444 гг. Брунеллески построил первое в истории ренессансного гражданского зодчества здание приюта Найденышей. Он украсил небольшую флорентийскую площадь Санта Аннунциата. Гуманное назначение постройки отразилось на ее приветливом, спокойном облике. Двухэтажный фасад протянулся по одной из сторон площади. Его нижний этаж открывается девятью аркадами на стройных изящных колоннах, под арками располагаются девять прямоугольных окон. Невысокая лестница почти во всю ширину фасада словно приглашает вступить под своды аркад. Продуманный четкий план, прекрасные легкие пропорции, простые формы пронизанного светом и полного воздухом фасада создают впечатление равновесия и гармонии.
В 1421–1428 гг. он построил боковую капеллу церкви Сан Лоренцо. Использованные Брунеллески в этом сооружении архитектурные принципы получили дальнейшее развитие в его знаменитой капелле Пацци (1429–1443) – подлинной жемчужине раннего Возрождения. Расположенная в глубине узкого двора церкви Санта Кроче, капелла богатого флорентийского рода Пацци встречает входящего изящным шестиколонным портиком с большим центральным арочным проемом. Залитая светом небольшая, прямоугольная в плане капелла Пацци покоряет красотой пропорций, равновесием