Destaca, de forma singular, la grandiosa cúpula, obra de Filippo Brunelleschi, una estructura isostática de 100 m de altura interior; 114,5 m de altura exterior; 45,5 m de diámetro exterior y 41 m de luz (diámetro interior) con la particularidad de que esta cúpula, en sí misma, anula los empujes horizontales para no transmitir al tambor que la sustenta prácticamente más cargas que las verticales correspondientes a su propio peso.
A la cúpula hay que añadir el campanile de Giotto, un campanario independiente trazado por Giotto, de 84,70 m de altura, y el baptisterio de San Juan, con las famosas puertas de bronce de Ghiberti. El conjunto, formado por la iglesia, el campanario y el baptisterio, constituye una de las joyas artísticas y arquitectónicas de Florencia.
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