Помимо завершения кампаниле Таленти развил энергичную деятельность также и по построению самого собора, почти доведя до конца его продольную базилику. Но в шестидесятых годах XIV века наступил решительный перелом в построении собора, в котором сказалась неудовлетворенность готическими преданиями и потребность в новых архитектурных формах. С этого момента готика в Италии быстро идет к своему окончательному разложению. Вокруг постройки собора разгорается борьба партий, в которой принимает участие почти все население Флоренции. Один проект сменяется другим; объявляются конкурсы на достойное продолжение собора, созываются комиссии из художников и городских деятелей. Наконец, в 1367 году комиссия останавливается на проекте, предусматривающем в завершение продольной базилики огромное купольное пространство. Все предшествующие проекты и модели подвергаются уничтожению, и участники совещания произносят торжественную клятву ни на шаг не отступать от этой «модели художников и мастеров», как она тогда была названа. По новому проекту постройка продолжалась в течение всего XIV и первых десятилетий XV века. Однако задумать огромное купольное пространство было легко, но перекрыть его куполом оказалось делом непосильным для архитекторов треченто. Только в 1420 году идея купола достигла своего осуществления, когда Брунеллески в сотрудничестве со скульпторами Донателло и Нанни ди Банко выработал модель купола, согласно которой его построение и было выполнено в 1436 году. Наконец, уже после смерти Брунеллески и по его плану был воздвигнут фонарь купола.
Не приходится удивляться, что в силу своей длительной и противоречивой истории собор Санта Мария дель Фьоре не получил цельного художественного завершения. Наиболее сильное впечатление он производит снаружи, особенно издали, например с холма Сан Миньято, когда господствует над Флоренцией чудесным силуэтом своего темно-красного купола и когда его массивные стены четко вырисовываются в красочных контрастах флорентийской инкрустации. Внутри собор несколько отпугивает своей мрачностью и известной несогласованностью больших пространств. Но, быть может, эта-то несогласованность и свидетельствует лучше всего о творческой силе флорентийского художественного гения, неутомимо преодолевавшего все препятствия к созданию собственного национального стиля. Правда, Флорентийский собор еще нельзя назвать произведением Ренессанса, это все-таки готика, но готика уже лишившаяся ряда своих специфических свойств. Возьмем план собора. Сразу видно противоречие двух его главных частей — продольной базилики и центрического купольного пространства. Войдем внутрь собора. Столбы, поддерживающие своды, так тонки и расставлены так редко (еще реже, чем в Санта Кроче), что зритель находится целиком под впечатлением одного большого пространства. Вместе с тем ширина сводов и аркад совершенно уничтожает иллюзию их вертикального устремления. Это отсутствие вертикального движения сводов Таленти подчеркнул, пожалуй, несколько грубым, но вполне проникнутым духом Ренессанса приемом — широкой горизонтальной полосой галерейки на темных деревянных консолях. В результате зритель совершенно не испытывает характерного для готического собора ощущения неудержимой тяги в небесную высь, не сознает огромной вышины сводов (напомню, что своды флорентийского собора имеют в вышину сорок один метр и что эта вышина сводов превзойдена только в Кёльнском и Амьенском соборах); точно так же, как не сознает зритель и чрезвычайной длины базилики (эта длина, 153 метра, превосходит буквально все как итальянские, так немецкие и французские готические соборы). Подобное впечатление равновесия пространственных измерений, совершенно незнакомое готике, составляет главную оптическую основу стиля Ренессанса. Еще более длина базилики проигрывает от соседства огромного купольного пространства. Достаточно посетителю вступить под покровы могучего купола Брунеллески, как он совершенно забывает о существовании базилики, он явно мыслит себя находящимся в центрическом пространстве. В этом смысле борьба проектов и мнений вокруг Флорентийского собора приобретает символическое значение — борьбы против средневековой продольной базилики за всестороннее центрическое здание, или, иначе говоря, борьбы за статическое восприятие пространства. Однако, как ни велики технические заслуги Брунеллески в перекрытии куполом столь грандиозного пространства, как ни благородны контуры купола снаружи, внутри купольное пространство Флорентийского собора еще обнаруживает много дефектов. Освещение, падающее через круглые отверстия тамбура, слишком скудно; из восьми стен, поддерживающих купол, только четыре имеют оконные проемы, остальные же замкнутой сплошной массой несут тяжесть купола.