Frühe Architektur
Beginnend im Jahr 1418 konzentrierte sich Brunelleschi auf die Architektur. In zwei kleinen Kuppelkapellen in S. Jacopo Soprarno und S. Felicità (heute zerstört oder umgebaut) in Florenz experimentierte er mit dem Kuppelbau. Im selben Jahr begann er mit dem Bau der Kirche S. Lorenzo (1418-ca. 1470), beginnend mit der Alten Sakristei (1418-1428), einer kubischen Kapelle mit einer Schirmkuppel. Die Kirche ist eine lateinische Kreuzbasilika mit drei Arkadenschiffen, Seitenkapellen und einer Kuppel über der Vierung. Die gesamte Ornamentik ist klassisch, mit korinthischen Säulen, Pilastern und klassischen Gesimsen aus einem weichen blaugrauen Stein (pietra serena) vor hellen Stuckwänden. Die Loggia des Ospedale degli Innocenti (entworfen 1419, erbaut 1421-1451) in Florenz, das gewöhnlich als erstes Gebäude der Renaissance angesehen wird, ist ein anmutiger Laubengang mit zusammengesetzten Säulen und Fenstern mit dreieckigen Giebeln, die regelmäßig über jedem der Bögen angeordnet sind. Möglicherweise arbeitete Brunelleschi zu dieser Zeit am Palazzo di Parte Guelfa in Florenz; er entwarf riesige Pilaster an jedem Ende der Außenfassade (nach der Fertigstellung verändert).
Um 1420 begann Brunelleschi mit der Errichtung der großen Kuppel des Florentiner Doms in Zusammenarbeit mit Ghiberti, der sich schließlich von dem Projekt zurückzog. Die Kuppel hat ein Skelett aus acht großen, von zwei Schalen geschlossenen Steinrippen, deren untere Teile aus Stein und die oberen Teile aus Ziegeln bestehen, die in einem Fischgrätenmuster verlegt sind, das wahrscheinlich von der antiken römischen Bauweise abgeleitet ist. In ihrer Rippenkonstruktion und Spitzbogenform steht die Kuppel noch in der Tradition der Gotik. Mit der Schließung des Oculus im Jahr 1436 entwarf Brunelleschi die Laterne (vollendet 1467). In der Zwischenzeit wurde er bei anderen Projekten konsultiert; er war 1426 in Pisa, um an der Zitadelle zu arbeiten, und 1427 in Volterra, um bei der Kuppel des Baptisteriums zu beraten.
Die Pazzi-Kapelle (1429-1467) im mittelalterlichen Kreuzgang von Santa Croce in Florenz hat eine reizvolle Vorhalle mit sechs korinthischen Säulen, die ein Gebälk tragen, das in der Mitte von einem Rundbogen durchbrochen wird, der die dahinter liegende Kuppel widerspiegelt. Der obere Teil der Fassade ist unvollständig. Der Innenraum ist rechteckig mit einer großen Schirmkuppel in der Mitte, die von einem konischen Dach mit einer Laterne bedeckt ist. Wie in seiner gesamten Architektur verwendete Brunelleschi für die klassischen Details die dunklere Pietra Serena. Die glasierten Terrakotta-Reliefs der vier Evangelisten in den Pendentiven der Kuppel wurden von Brunelleschi entworfen; die übrige Dekoration stammt von Luca della Robbia. 1432 ging Brunelleschi mit unbekannten Aufträgen nach Mantua und Ferrara, und 1433 war er wieder in Rom, um die Antiken zu studieren.