В 1446 году заказ на двери ризницы собора, полученный Донателло, был передан Луке делла Роббиа, Микелоццо и Мазо ди Бартоломео. Но вскоре после этого Микелоццо уехал из Флоренции, а Мазо умер, и бронзовые двери ризницы (так называемой Старой сакристии) были закончены в 1467 году одним Лукой делла Робиа.
«Он получил заказ на бронзовую дверь упомянутой ризницы, — пишет Вазари, — и разделил её на десять филёнок, а именно по пяти на каждой половине, поместив по углам обрамления каждой из них по человеческой голове, причём повсюду головы были разные, то молодые, то старые, то средних лет, одни бородатые, другие бритые, в общем же каждая по-разному и в своём роде прекрасна, так что всё полотно этой двери получилось весьма нарядным. В историях же каждой филёнки с отменным изяществом он изобразил, начиная сверху, Мадонну с младенцем на руках, а с другой стороны Иисуса Христа, восстающего из гроба. Под ними же в каждой из первых четырёх филёнок он поместил по фигуре евангелиста, а под ними четырёх отцов церкви, пишущих в разных положениях. И вся эта работа отделана так чисто и чётко, что прямо чудо, и свидетельствует о том, что занятия ювелирным делом оказали Луке немалую помощь».
До середины XV века скульптор создал немало интересных произведений: мраморный табернакль для церкви при больнице Санта-Мариа Нуова (1441), двух ангелов со светильниками в сакристии собора (1448), медальоны в капелле Пацци (1442–1450), украшения табернакля Микелоццо в Сан-Миньято аль Монте (1448), «Мадонну с четырьмя святыми» в люнете над дверью церкви Сан-Доменико в Урбино (1449).
До сороковых годов XV столетия Лука делла Роббиа был широко известен как мастер, работавший в мраморе. В это время он обращается к новому материалу. Лука делла Роббиа начинает использовать для скульптуры главным образом обожжённую глину. Для того чтобы скульптуру можно было включать в оформление экстерьера зданий, она покрывалась цветной глазурью. Этот способ был давно известен в гончарном производстве и применялся в Италии в первую очередь для изготовления майолики, то есть использовался лишь в художественном ремесле. Лука делла Роббиа стал первым скульптором, кто применил его для фигурных композиций. Кроме того, он изобрёл белую эмаль, содержащую олово и придающую особый блеск покрытым ею рельефам. Решающий поворот в творчестве Луки делла Роббиа — обращение его к майолике — совпал по времени с заказом на изготовление большой дарохранительницы для церкви госпиталя Санта-Мария Нуова во Флоренции. В аптеке госпиталя находились длинные ряды банок и кружек, покрытых яркой глазурью. Знакомство с майоликовыми сосудами натолкнуло художника на мысль перенести технику глазури с керамики в пластику, и эта идея дала блестящие результаты. Глина соответствовала самому существу искусства Луки делла Роббиа, мягкому, лирически настроенному, посвящённому женским и детским образам.
В новой технике сделаны скульптором глазурованные люнеты над дверями Новой сакристии собора: «Воскресение» (1442–1445) и «Вознесение» (1446–1451).
«…Ему захотелось, — отмечает Вазари, — чтобы первыми работами стали те, что находятся в арке над бронзовыми дверями, которые он сделал для ризницы под органом Санта-Мария дель Фьоре и где он изобразил Воскресение Христово, для того времени столь прекрасное, что, когда его поставили на место, оно привело всех в восхищение как вещь поистине редкостная. И потому… попечители пожелали, чтобы арка дверей другой ризницы, где Донателло украсил другой орган, была заполнена Лукой в той же манере, такими же фигурами и такими же работами из терракоты, что Лука и сделал, изобразив там прекраснейшего Христа, возносящегося на небеса».
Характерен для основных работ Луки делла Роббиа колорит рельефа «Мадонна с двумя молящимися ангелами» (1450). Контраст сверкающих фигур и яркого фона ещё усиливается коричневым обрамлением люнеты. Рельеф согрет тёплым человеческим чувством, праздничным, радостным и легко доступным восприятию самым широким зрителям. Центральный образ — Мария с младенцем. Её фигура отмечена мягкой классической красотой. Мадонна, выпрямившись, держит на правой руке младенца Христа. Фигуры ангелов — справа и слева, обращаясь в молитвенном благоговении к Богоматери, одновременно замыкают композицию в гармоничное целое. Это рождает чувство умиротворения и покоя. В этом рельефе, как и в других произведениях Луки делла Роббиа, настроение преобладает над действием, чувство — над волей. И при полной объёмности фигур сохраняется удивительное тяготение к плоскостному решению, к ощущению замкнутого пространства.