La cupola fu iniziata nel 1591 da Pier Paolo Olivieri, nel 1608 subentrò Carlo Maderno che ampliò e alzò il progetto originario e costruì la maestosa cupola, che misura m. 16,61 di diametro e m. 71,76 d’altezza, fu completata nel 1625. La calotta della cupola è interamente ricoperta dall'immenso affresco di Giovanni Gaspare Lanfranco, la Gloria del Paradiso. Nei peducci della cupola sono affrescate le monumentali figure degli Evangelisti, San Matteo, San Giovanni, San Luca e San Marco opera di Domenico Zampieri detto il Domenichino.