Вся строительная деятельность Брунеллески, как в самом городе, так и за его пределами, проходила по поручению или с одобрения Флорентийской коммуны. По проектам Филиппо и под его руководством была возведена целая система укреплений в завоеванных Республикой городах, на границах подчиненных ей или контролируемых территорий. Крупные фортификационные работы велись в Пистойе, Лукке, Пизе, Ливорно, Римини, Сиене и в окрестностях этих городов. Флоренция оказалась окруженной широким кольцом крепостей. Брунеллески укреплял берега Арно, строил мосты. Он включен в сложные отношения с миланскими герцогами. В краткие промежутки перемирий его посылали в Милан, Мантую, Феррару – по-видимому, не только в связи с его профессиональными обязанностями, но и с дипломатической миссией.

Если до конкурса на возведение купола собора Санта-Мария дель Фьоре Брунеллески оставался «частным» человеком, свободным в выборе занятий и развлечений, то теперь он стал человеком государственным, жизнь которого была расписана по часам. Он работал сразу на нескольких объектах, руководил большими группами мастеров и рабочих. Параллельно со строительством собора в том же 1419 году Брунеллески приступил к созданию комплекса Воспитательного дома.

Фактически Брунеллески был главным архитектором Флоренции; он почти не строил для частных лиц, выполнял преимущественно правительственные или общественные заказы. В одном из документов флорентийской Синьории, который датируется 1421 годом, его называют: «…муж проницательнейшего ума, одаренный удивительным мастерством и изобретательностью…».

Купол собора Санта-Мария дель Фьоре – наиболее раннее из крупнейших произведений Брунеллески во Флоренции. Сооружение купола над алтарной частью базилики, начатое архитектором Арнольфо ди Камбио около 1295 года и законченное в основном к 1367 году зодчими Джотто, Андреа Пизано, Франческо Таленти, для средневековой строительной техники Италии оказалось непосильной задачей. Она была разрешена только мастером Возрождения, новатором, в лице которого гармонично сочетались архитектор, инженер, художник, ученый-теоретик и изобретатель.

Прежде чем приступить к работе, Брунеллески начертил план купола в натуральную величину. Он воспользовался для этого отмелью Арно рядом с Флоренцией. Официальное начало строительных работ было отмечено 7 августа 1420 года торжественным завтраком. По винтовой лестнице на барабан собора было поднято угощение: бочонок красного вина для рабочих и мастеров, фьяска белого треббиано для руководства и корзины с хлебом и дынями.

С октября этого года Брунеллески и Гиберти стали получать жалованье, правда, весьма скромное, поскольку считалось, что они осуществляют лишь общее руководство и не обязаны бывать на строительной площадке регулярно.

Трудность возведения купола заключалась не только в огромных размерах перекрываемого пролета (диаметр купола у основания составляет около 42 метров), но и в необходимости возвести его без лесов на высоком восьмиугольном барабане с относительно небольшой толщиной стен. Поэтому все усилия Брунеллески были направлены на максимальное облегчение веса купола и уменьшение сил распора, действующих на стены барабана. Облегчение веса свода было достигнуто устройством пустотелого купола с двумя оболочками, из которых более толстая нижняя является несущей, а более тонкая верхняя – защитной. Жесткость конструкции обеспечивалась каркасной системой, основу которой составили восемь главных несущих ребер, расположенных по восьми углам восьмигранника и связанных между собой опоясывающими их каменными кольцами. Это крупнейшее нововведение строительной техники Возрождения было дополнено характерным для готики приемом – приданием своду стрельчатого очертания.

Альберти чутьем художника понял и оценил этот дерзкий замысел, сказав, что Филиппо «воздвиг свое огромное сооружение над небесами», то есть выше небес. Именно в этом заключался замысел Филиппо, за осуществление которого он бился до последнего дня, – создать второе, рукотворное небо, «неслыханное и невиданное», огромную небесную конструкцию, обращенную, как вызов, к небесам и с небесами соперничающую.

Флорентийский купол действительно господствовал над всем городом и окружающим его ландшафтом. Сила его определяется не только гигантскими абсолютными размерами, не только упругой мощью и вместе с тем легкостью взлета его форм, но тем сильно укрупненным масштабом, в котором решены части здания, возвышающиеся над городской застройкой, – барабан с его огромными круглыми окнами и крытые красной черепицей грани свода с разделяющими их мощными ребрами. Простота его форм и крупный масштаб контрастно подчеркнуты относительно более мелкой расчлененностью форм венчающего фонаря.

В новом образе величавого купола как монумента, воздвигнутого во славу города, воплотилась идея торжества разума, характерная для гуманистических устремлений эпохи. Благодаря новаторскому образному содержанию, важной градостроительной роли и конструктивному совершенству флорентийский купол явился тем выдающимся архитектурным произведением эпохи, без которого немыслимы были бы ни купол Микеланджело над римским собором Святого Петра, ни восходящие к нему многочисленные купольные храмы в Италии и других странах Европы.

Связанный средневековыми частями собора, Брунеллески в своем куполе, естественно, не мог добиться полного стилевого соответствия новых и старых форм. Так что первенцем архитектурного стиля раннего Возрождения стал Воспитательный дом во Флоренции.

В плане здания, который решен в виде обстроенного по периметру большого квадратного двора, обрамленного легкими арочными портиками, использованы приемы, восходящие к архитектуре средневековых жилых зданий и монастырских комплексов с их защищенными от солнца уютными внутренними двориками. Однако у Брунеллески вся система помещений, окружающих центр композиции – внутренний двор, – приобрела более упорядоченный, регулярный характер. Самым важным новым качеством в пространственной композиции здания явился принцип «открытого плана», который включает в себя такие элементы окружения, как уличный проезд, проходной двор, связанные системой входов и лестниц со всеми основными помещениями. Эти особенности получили отражение и в его внешнем облике. Фасад здания, расчлененный на два неравных по высоте этажа, в отличие от средневековых сооружений такого типа, выделяется исключительной простотой форм и ясностью пропорционального строя.

Разработанные в Воспитательном доме тектонические принципы, выражающие своеобразие ордерного мышления Брунеллески, получили дальнейшее развитие в старой сакристии (ризнице) церкви Сан-Лоренцо во Флоренции (1421—1428). Интерьер старой сакристии – первый в архитектуре Возрождения пример центрической пространственной композиции, возрождающей систему купола, который перекрывает квадратное в плане помещение. Внутреннее пространство сакристии отличается большой простотой и четкостью: кубическое по пропорциям помещение перекрыто ребристым куполом на парусах и на четырех подпружных арках, опирающихся на антаблемент пилястр полного коринфского ордера. Более темные по цвету пилястры, архивольты, арки, гурты и ребра купола, а также связующие и обрамляющие элементы (круглые медальоны, наличники окон, ниши) вырисовываются своими четкими очертаниями на светлом фоне оштукатуренных стен. Такое сочетание ордера, арок и сводов с поверхностями несущих стен создает ощущение легкости и прозрачности архитектурных форм.

Одновременно с перестройкой церкви Сан-Лоренцо Брунеллески работал на менее ответственных строительных площадках – в капелле Барбадори в церкви Санта-Феличита по другую сторону Арно и в Палаццо Барбадори.

В 1429 году представители флорентийского магистрата направили Брунеллески под Лукку для руководства работами, связанными с осадой города. После осмотра местности Брунеллески предложил проект. Замысел Брунеллески состоял в том, чтобы, возведя систему плотин на реке Серкио и подняв таким способом уровень воды, открыть в нужный момент шлюзы, чтобы вода, хлынув по специальным каналам, затопила всю местность вокруг городских стен, принудив Лукку к сдаче. Проект Брунеллески был реализован, однако потерпел фиаско, вода, хлынув, затопила не осажденный город, а лагерь осаждающих, который пришлось спешно эвакуировать.