Brunelleschi hylkäsi gotiikan muodot ja otti esikuviksi antiikin rakennusten mittasuhdejärjestelmät ja koristeaiheet. Hän pyrki selkeisiin, kuutiomaisiin tiloihin, joihin yhdisti kupolin. Näistä ideoista kehittyi sittemmin suosittu keskeiskirkkomuoto. Santa Croce -kirkon pihalle rakennettu Pazzi-kappeli on hyvä esimerkki selkeistä mittasuhteista: julkisivu on suunniteltu neliöistä.
Brunelleschin tunnetuin työ on Firenzen katedraalin (Santa Maria del Fiore) kahdeksantahoinen kupoli, joka valmistui vuonna 1436. Brunelleschi keksi kaksoiskupolirakenteen, jossa kuoret tukevat toisiaan, ja näin päästiin samalla sekä kevyisiin että kestäviin rakenteisiin. Teknisesti samaa ideaa käytti myöhemmin Michelangelo suunnitellessaan RoomanPietarinkirkon kupolia.
