Eerdere architectuur
Beginnend in 1418 concentreerde Brunelleschi zich op de architectuur. In twee kleine koepelkapellen in S. Jacopo Soprarno en S. Felicità (nu verwoest of veranderd), Florence, experimenteerde hij met koepelbouw. In hetzelfde jaar begon hij aan de kerk van S. Lorenzo (1418-ca. 1470), te beginnen met de Oude Sacristie (1418-1428), een kubusvormige kapel met een paraplukoepel. De kerk is een Latijnse kruisbasiliek met drie gewelfde zijbeuken, zijkapellen en een koepel boven het kruispunt. Alle versieringen zijn klassiek, met Korinthische zuilen, pilasters en klassiek lijstwerk van een zachte blauwgrijze steen (pietra serena) tegen lichte stucwerk muren. De loggia van het Ospedale degli Innocenti (ontworpen in 1419, gebouwd in 1421-1451), Florence, die gewoonlijk als het eerste renaissancegebouw wordt beschouwd, is een sierlijke arcade met samengestelde zuilen en ramen met driehoekige frontons op regelmatige afstand boven elk van de bogen. Het is mogelijk dat Brunelleschi in deze periode werkte aan het Palazzo di Parte Guelfa, Florence; hij ontwierp reusachtige pilasters aan elk uiteinde van het exterieur (gewijzigd in de voltooiing).
In 1420 begon Brunelleschi met de bouw van de grote koepel van de Florentijnse kathedraal in samenwerking met Ghiberti, die zich uiteindelijk terugtrok uit het project. De koepel heeft een skelet van acht grote stenen ribben, afgesloten door twee schalen, waarvan de onderste delen van steen zijn en de bovenste delen van baksteen, gelegd in een visgraatmotief dat waarschijnlijk is afgeleid van de oude Romeinse bouwkunst. Door zijn ribbenconstructie en spitsboogvorm behoort de koepel nog steeds tot de gotische traditie. Met het sluiten van de oculus in 1436, ontwierp Brunelleschi de lantaarn (voltooid in 1467). Ondertussen werd hij geraadpleegd over projecten elders; hij was in 1426 in Pisa om aan de Citadel te werken en in 1427 in Volterra om te adviseren over de koepel van het Baptisterium.
De Pazzi-kapel (1429-1467), in het middeleeuwse klooster van Santa Croce, Florence, heeft een charmant portaal met zes Korinthische zuilen die een hoofdgestel ondersteunen dat in het midden wordt onderbroken door een halfronde boog, die de koepel erachter weerspiegelt. Het bovenste deel van de voorgevel is onvolledig. Het interieur is rechthoekig met een grote koepel in het midden, overdekt door een kegelvormig dak met een lantaarn. Zoals in al zijn architectuur, gebruikte Brunelleschi het donkere pietra serena voor de klassieke details. De geglazuurde terra-cotta reliëfs van de vier Evangelisten in de pendentieven van de koepel werden ontworpen door Brunelleschi; de overige decoratie was van Luca della Robbia. In 1432 ging Brunelleschi naar Mantua en Ferrara voor onbekende opdrachten, en in 1433 was hij weer in Rome om de antiquiteiten te bestuderen.