Wczesna architektura
Począwszy od 1418 r. Brunelleschi koncentrował się na architekturze. W dwóch małych kopułowych kaplicach w S. Jacopo Soprarno i S. Felicità (obecnie zniszczonych lub zmienionych) we Florencji eksperymentował z konstrukcją kopułową. W tym samym roku rozpoczął budowę kościoła S. Lorenzo (1418- ok. 1470), zaczynając od Starej Zakrystii (1418-1428), prostopadłościennej kaplicy z parasolowatą kopułą. Kościół jest bazyliką z krzyżem łacińskim, z trzema arkadowymi nawami, bocznymi kaplicami i kopułą nad skrzyżowaniem. Wszystkie ornamenty są klasyczne, z kolumnami korynckimi, pilastrami i klasycznymi formami z miękkiego niebiesko-szarego kamienia (pietra serena) na tle jasnych stiukowych ścian. Loggia Ospedale degli Innocenti (zaprojektowany 1419, zbudowany 1421-1451), Florencja, zwykle uważany za pierwszy budynek renesansowy, jest wdzięczny arkady z Composite kolumn i okien z trójkątnymi frontony regularnie rozmieszczone nad każdym z łuków. Być może właśnie w tym czasie Brunelleschi pracował nad Palazzo di Parte Guelfa we Florencji; zaprojektował gigantyczne pilastry na każdym końcu zewnętrznej części budynku (zmienione w trakcie realizacji).
W 1420 roku Brunelleschi rozpoczął wznoszenie wielkiej kopuły katedry florenckiej we współpracy z Ghibertim, który ostatecznie wycofał się z projektu. Kopuła ma szkielet składający się z ośmiu dużych kamiennych żeber zamkniętych dwiema powłokami, z których dolne części są kamienne, a górne ceglane, ułożone w jodełkę, prawdopodobnie zaczerpniętą ze starożytnego budownictwa rzymskiego. W swojej konstrukcji żebrowej i formie spiczastego łuku kopuła nadal należy do tradycji gotyckiej. Po zamknięciu oculusa w 1436 roku, Brunelleschi zaprojektował latarnię (ukończoną w 1467 roku). W międzyczasie konsultowano się z nim w sprawie innych projektów; w 1426 r. przebywał w Pizie, gdzie pracował nad Cytadelą, a w 1427 r. w Volterrze, gdzie doradzał w sprawie kopuły Baptysterium.
Kaplica Pazzich (1429-1467), w średniowiecznym klasztorze Santa Croce we Florencji, ma uroczy ganek z sześcioma korynckimi kolumnami podtrzymującymi entablaturę przerwaną w centrum półkolistym łukiem, odbijającym znajdującą się za nią kopułę. Górna część fasady jest niekompletna. Wnętrze jest prostokątne z dużą kopułą parasolową w centrum, przykrytą stożkowym dachem z latarnią. Podobnie jak w całej swojej architekturze, Brunelleschi użył ciemniejszego pietra serena do wykonania klasycznych detali. Przeszklone terakotowe płaskorzeźby czterech ewangelistów w pendentywach kopuły zostały zaprojektowane przez Brunelleschiego; pozostałe dekoracje wykonał Luca della Robbia. W 1432 roku Brunelleschi udał się do Mantui i Ferrary z nieznanymi zleceniami, a w 1433 roku był ponownie w Rzymie, aby studiować starożytności.