Закончив ризницу, Брунеллески приступил к построению самой церкви Сан Лоренцо. Сочетание средневековых традиций с новыми архитектурными идеями нигде так ясно не ощущается, как именно в плане Сан Лоренцо. Брунеллески вернулся здесь к традиционному для церквей нищенствующих орденов типу базилики в форме креста с тремя продольными нефами и с капеллами вокруг хора. Мало того, Брунеллески возрождает забытую в эпоху готики систему романских соборов, получившую название «связанной» системы: в основу плана как его постоянная единица положен квадрат; так как средний неф вдвое шире боковых, то одному квадрату среднего нефа соответствует по два квадрата боковых нефов. В этом возрождении «связанной» системы не было для Брунеллески никакой внутренней конструктивной необходимости. В романской конструкции «связанная» система вызывалась требованиями полукруглых крестовых сводов, которые были в состоянии перекрывать только квадратные пространства. Брунеллески же заменил крестовые своды маленькими куполами для каждого отдельного звена боковых кораблей. Тем большее, разумеется, значение приобретает возврат Брунеллески к романским традициям, так как он диктовался, следовательно, исключительно художественными соображениями и лишний раз указывает нам на известное духовное сродство между Ренессансом и романским стилем. Но, вернувшись к средневековым традициям, Брунеллески опять-таки дал им совершенно новое истолкование. На первый взгляд изменения, произведенные Брунеллески в средневековой схеме, как будто очень незначительны. На самом же деле последствием этих изменений является совершенно новое ощущение пространства. Дело в том, что Брунеллески не ограничился капеллами вокруг хора, как этого требовала картезианская схема, но продолжил их цепь по обеим продольным сторонам церкви. При этом каждая капелла изолирована от соседней, так что в нее можно проникнуть только из бокового нефа, и в каждой капелле поставлен особый алтарь. В результате происходит прежде всего замедление общего темпа. Движение, которое в романском и готическом соборе непрерывным потоком устремлялось в глубину, теперь останавливается и рассеивается в поперечных направлениях. Изолированные капеллы как бы приглашают зрителя, направляющегося к главному купольному пространству, задержаться и временно изменить направление своего взгляда. Если в готическом соборе отдельные пространственные ячейки были только звеньями одной непрерывной цепи, то в церкви Сан Лоренцо каждая из них представляет собой совершенно самостоятельный, замкнутый маленький мирок. Из этих-то самостоятельных изолированных единиц — микрокосмов и слагается макрокосм всего церковного пространства. Так Брунеллески приходит к основному принципу стиля Ренессанса в организации пространства, принципу, который словами Франкля можно определить, как additio; сложение целого пространства из мелких и самостоятельных пространственных единиц. Насколько последовательно этот принцип пронизывает всю архитектурную концепцию Брунеллески, видно из освещения церкви Сан Лоренцо: темные капеллы, полутемные боковые нефы и пронизанный ясным, ровным светом средний неф дают постепенную концентрацию света под главным куполом церкви.