De enorme koepel heeft de vorm van een parabool, en bestaat uit twee lagen. In de 18e eeuw begon de buitenkant scheuren te vertonen, waarna er metalen ringen om de binnenste laag werden geklemd om het geheel bij elkaar te houden. De koepel werd in 1593 voltooid door Giacomo della Porta, nadat Michelangelo was gestorven voor de bouw was afgerond. De binnenkant zou oorspronkelijk bekleed worden met mozaïeken ter ere van het Heilig Jaar 1600, maar toen bleek dat ze niet op tijd klaar zouden zijn werd dit plan van tafel geveegd. De bronzen bol op de top van de cupola heeft een doorsnede van 3,2 meter.