Inizialmente la cupola sarebbe dovuta essere decorata da mosaici dorati, per riflettere al massimo la luce proveniente dalle finestre del tamburo, come suggerito dal Brunelleschi. La sua morte mise da parte questo costoso progetto e si provvide semplicemente a intonacare di bianco l'interno. Il Granduca Cosimo I de' Medici scelse il tema del Giudizio Universale per affrescare l'enorme calotta, ed affidò il compito a Giorgio Vasari. I lavori durarono dal 1572 al 1579 e furono terminati, dopo la morte del Vasari avvenuta nel (1574) da Federico Zuccari e collaboratori, come Domenico Cresti. Alla maestosa figura del Cristo, visibile dall'interno della chiesa, fa da contrappunto la scena infernale con Satana nella superficie opposta. Nella parte più vicina alla lanterna sono raffigurati i Ventiquattro anziani dell'Apocalisse, interamente dipinti dal Vasari; altre porzioni rappresentano Coro di angeli, Cristo, Maria e i santi, Le Virtù, i doni dello Spirito Santo e le Beatitudini; nella parte inferiore Inferno ed i sette vizi capitali. Questi affreschi, se visti da vicino durante il percorso della salita alla cupola, mostrano le deformazioni prospettiche e di colore usate per ottimizzare la veduta dal basso. La tecnica usata è mista: affresco per il Vasari, tecniche a secco per lo Zuccari, che qui ha eseguito il suo capolavoro.