Arquitectura temprana
A partir de 1418 Brunelleschi se concentró en la arquitectura. En dos pequeñas capillas con cúpula en S. Jacopo Soprarno y S. Felicità (ahora destruidas o alteradas), en Florencia, experimentó con la construcción de cúpulas. Ese mismo año comenzó la iglesia de San Lorenzo (1418-ca. 1470), empezando por la Sacristía Vieja (1418-1428), una capilla cúbica con cúpula de paraguas. La iglesia es una basílica de cruz latina con tres naves porticadas, capillas laterales y una cúpula sobre el crucero. Toda la ornamentación es clásica, con columnas corintias, pilastras y molduras clásicas de una suave piedra azul-gris (pietra serena) sobre paredes de estuco claro. La logia del Ospedale degli Innocenti (diseñada en 1419, construida entre 1421 y 1451), en Florencia, que suele considerarse el primer edificio del Renacimiento, es una elegante arcada con columnas compuestas y ventanas con frontones triangulares regularmente espaciados sobre cada uno de los arcos. Es posible que en esta época Brunelleschi trabajara en el Palacio de Parte Guelfa, en Florencia; diseñó pilastras gigantes en cada extremo del exterior (alteradas en su finalización).
En 1420 Brunelleschi comenzó a levantar la gran cúpula de la Catedral de Florencia en colaboración con Ghiberti, que finalmente se retiró del proyecto. La cúpula tiene un esqueleto de ocho grandes costillas de piedra cerradas por dos cáscaras, cuyas partes inferiores son de piedra y las superiores de ladrillo colocadas en un diseño de espiga probablemente derivado de la antigua construcción romana. En su construcción de costillas y su forma de arco apuntado, la cúpula sigue perteneciendo a la tradición gótica. Con el cierre del óculo en 1436, Brunelleschi diseñó la linterna (terminada en 1467). Mientras tanto, se le consultó sobre proyectos en otros lugares; estuvo en Pisa durante 1426 para trabajar en la Ciudadela y en Volterra en 1427 para asesorar sobre la cúpula del Baptisterio.
La Capilla Pazzi (1429-1467), en el claustro medieval de Santa Croce, Florencia, tiene un encantador pórtico con seis columnas corintias que sostienen un entablamento roto en el centro por un arco de medio punto, que refleja la cúpula que hay detrás. La parte superior de la fachada está incompleta. El interior es rectangular con una gran cúpula de paraguas en el centro cubierta por un techo cónico con una linterna. Como en toda su arquitectura, Brunelleschi utilizó la pietra serena más oscura para los detalles clásicos. Los relieves de terracota vidriada de los cuatro evangelistas en las pechinas de la cúpula fueron diseñados por Brunelleschi; el resto de la decoración fue obra de Luca della Robbia. En 1432 Brunelleschi fue a Mantua y Ferrara por encargos desconocidos, y en 1433 estuvo de nuevo en Roma para estudiar las antigüedades.