Die Kuppel ist das letzte große Werk Michelangelos und hat einen Durchmesser von etwa 43 Metern; sie ruht auf vier Bögen, die auf vier Pfeilern von 71 m Umfang aufliegen. Als der Künstler starb, war gerade der untere Teil mit seinen 16 Fenstern fertig.

Die Arbeit wurde von Giacomo della Porta mit dem Bau der Kalotte vollendet, die er gegenüber dem Entwurf Michelangelos um etwa 10 m anhob und die so die Kugelform des ursprünglichen Entwurfs verlor. Die Höhe vom Boden beträgt mehr als 136 m. Später wurden nach Entwürfen von D`Arpino die Mosaiken ausgeführt.