Non è documentato quando esattamente Brunelleschi iniziò a lavorare in San Lorenzo. Un ampliamento della chiesa romanica venne avviato nel 1418, quando il priore Matteo Dolfini ottenne dalla Signoria il permesso per abbattere alcune case per ingrandire il transetto della chiesa e il 10 agosto 1421 egli celebrò una solenne cerimonia per benedire l’inizio dei lavori.

Tra i finanziatori c’era lo stesso Giovanni di Bicci de’ Medici che propose probabilmente il nome dell’architetto che già stava lavorando alla sua cappella. La ricostruzione dell’intera chiesa fu un progetto che dovette maturare in un secondo momento, probabilmente dopo il 1421, quando morì il Dolfini. L’inizio dell’intervento brunelleschiano viene generalmente collocato in quell’anno.

L’impianto della chiesa, come in altre opere di Brunelleschi, si ispira ad altri edifici della tradizione medievale fiorentina, come Santa Croce, Santa Maria Novella o Santa Trinita, ma a partire da questi modelli Brunelleschi creò qualcosa di più rigoroso, con esiti rivoluzionari. L’innovazione fondamentale sta nell’organizzazione degli spazi lungo l’asse mediano applicando un modulo (sia in pianta che in alzato), corrispondente alla dimensione di una campata quadrata, con la base di 11 braccia fiorentine, lo stesso dello Spedale degli Innocenti. L’uso del modulo regolare, con la conseguente ripetizione ritmica delle membrature architettoniche, definisce una scansione prospettica di grande chiarezza e suggestione, soprattutto nelle due navate laterali, che assomigliano a un doppio loggiato simmetrico dello Spedale, applicato per la prima volta all’interno di una chiesa: anche qui infatti l’uso della campata quadrata e della volta a vela genera la sensazione di uno spazio scandito come una serie regolare di cubi immaginari sormontati da semisfere. Le pareti laterali sono decorate da paraste che inquadrano gli archi a tutto sesto delle cappelle. Queste ultime però non sono proporzionate al modulo e si pensa che siano una manomissione al progetto originale di Brunelleschi, messa in atto probabilmente dopo la sua morte (1446). Inoltre la razionalità dell’impianto nel piedicroce non trova un riscontro di analoga lucidità nel transetto, poiché qui probabilmente Brunelleschi dovette adattarsi alle fondazioni già avviate dal Dolfini.

Nonostante le alterazioni la basilica trasmette ancora un senso di concezione razionale dello spazio, sottolineata dalla membrature portanti in pietra serena, che risaltano sull’intonaco bianco secondo il più riconoscibile stile brunelleschiano. L’interno è estremamente luminoso, grazie alla serie di finestre ad arco che corre lungo il cleristorio. Le colonne hanno capitelli corinzi con pulvino, come nello Spedale degli Innocenti, mentre il soffitto della navata centrale è piano, decorato a lacunari.