Ningún mecanismo eleva­dor conocido era capaz de levantar y maniobrar unos materiales tan pesados, incluidas las vigas de piedra arenisca, a tanta altura del suelo. En este punto, el hábil relojero que era Brunelleschi se superó a sí mismo. Inventó un cabrestante de tres velocidades con un intrincado sistema de engranajes, poleas, tornillos y árboles, accionado por una yunta de bueyes que hacía girar un eje de madera. Funcionaba con una cuerda especial de 180 metros de largo y pesaba casi 500 kilos. La máquina, fabricada especialmente en los astilleros de Pisa, estaba provista de un revoluciona­rio sistema de embrague que podía invertir la dirección sin necesidad de que los bueyes cambiaran el sentido de su movimiento.

Posteriormente Brunelleschi diseñaría otras máquinas elevadoras igualmente novedosas, entre ellas el castello, una grúa de unos 20 metros de altura con una serie de contrapesos y tornillos manuales que servía para desplazar cargas lateralmente una vez habían alcanzado la altura adecuada.

Las máquinas de Brunelleschi eran artilugios tan avanzados para su tiempo que no tuvieron rival hasta bien entrada la Revolución Industrial y fascinaron a generaciones de artistas e invento­res, entre ellos a un tal Leonardo, de la cercana localidad toscana de Vinci, en cuyo cuaderno de apuntes anotó sus mecanismos.

Con todos los instrumentos necesarios para acometer su proyecto preparados, Brunelleschi se centró en la cúpula pro­­piamente dicha, a la que dio forma con una serie de extraordinarias innovaciones técnicas. Su diseño de doble cúpula produjo una estructura mucho más alta y ligera de lo que habría sido una bóveda sólida de ese tamaño. Entretejió en la textura de la cúpula hiladas regulares de ladrillo a espiga, según una técnica poco conocida, para conferir a toda la estructura mayor solidez.

A medida que la construcción avanzaba, Brunelleschi pasaba más y más tiempo a pie de obra. Supervisaba la fabricación de ladrillos de diferentes medidas y el suministro de la piedra y del mármol escogidos en las canteras. Dirigía un ejército de albañiles, canteros, carpinteros, he­­rreros, plomeros, toneleros, aguadores y otros artesanos. Cuenta un biógrafo que cuando a un subalterno le costaba entender algún detalle complicado de la construcción, él se lo explicaba creando un modelo de cera o de arcilla, o tallaba ese elemento en un nabo, para ilustrar lo que quería.

Se preocupaba mucho por sus trabajadores, tanto por su seguridad como para lograr que las obras avanzaran lo más rápido posible. Ordenó que les dieran el vino aguado para que mantuvieran la cabeza despejada cuando estuvieran en las alturas (la orden fue revocada ante las quejas de los trabajadores descontentos) y añadió parapetos a las plataformas suspendidas para prevenir caídas y evitar que los operarios miraran hacia abajo desde las vertiginosas alturas de la cúpula y se marearan. Se cuenta también que era un capataz extremadamente riguroso. Cuando los albañiles fueron a la huelga para exigir aumento de sueldo, parece ser que contrató esquiroles de Lombardía, y solo permitió regresar a los antiguos trabajadores cuando aceptaron volver a las obras con el salario reducido.