圆顶内径约42米，覆盖了整个大教堂。对于这个大圆顶，曾有过百年的波折，先是布拉曼特于1506年设计，1514年他去世后拉斐尔接替了他。六年后，拉斐尔也去世了，教会对教堂顶部借鉴哥德式的设计，强调黑暗与光明的对比，采用了玫瑰花窗，于是出于对教堂入口处的光线对比效应的考虑，圆顶被取消。后来米开朗基罗在71岁高龄时接替了这项工作，以“对上帝、对圣母、对圣伯多禄的爱”的名义，恢复了圆顶。圆顶廊檐上有十一个雕像，耶稣基督的雕像位于中间，廊檐两侧各有一座钟，右边的是格林威治时间，左边的是罗马时间，大圆顶是罗马的象征之一。