La CUPOLA è fonte di meraviglia come dice Guarini di “atterrimento dell'animo umano”. Osservandola dal basso si crea un’illusione di distanza non comprensibile, di progressione senza fine in uno spazio inondato di luce.

Il sistema studiato da Guarini gli consente di impostare la cupola su un diametro inferiore a quello dato dalla struttura perimetrale dell'edificio.

Un intreccio di strutture articolate su tre ordini sovrapposti, occultate dalla architettura apparente dell’aula, sostengono la vertiginosa cupola che presenta coppie di archi incrociati che riprendono il motivo dell’ottagono e formano una grande stella ad otto punte con al centro l’ottagono regolare della lanterna. Il tutto viene reso aereo e leggero dalla luce che penetra dalle finestre aperte nelle vele della volta e che, rotta dall’articolarsi degli archi incrociati crea un effetto ottico di irrealtà: tutto sembra vero e tutto sembra illusorio, Guarini ha saputo concentrare l’attenzione sulla complessa, misteriosa struttura della cupola che pare reggersi “in equilibrio che – secondo G.C. Argan – rappresenta l’istante in cui il calcolo matematico coincide con il percorso della fantasia che tende a Dio”.

L’insolita struttura voltata prende la forma di un canestro rovesciato, ottenuto dall'intreccio di 8 coppie di archi, studiato e fondato grazie alle riflessioni sugli sviluppi delle superfici e delle sezioni coniche e progettato grazie all’impiego della stereometria. Paiono evidenti i richiami grafici agli intrecci delle coperture gotiche presenti nella moschea di Cordoba e nella cattedrale di Saragozza, probabilmente osservati e studiati dal Guarini in viaggio per l’Europa.

Il visitatore che entra nella chiesa non ne percepisce la reale struttura portante, ma solamente il guscio: la cupola infatti gli appare poggiare su otto esili colonne di marmo sormontate da archi che delimitano parti della calotta svuotate nei punti di minor sforzo; pure i sovrastanti pennacchi sferici sono vuoti; in realtà un’incastellatura di grandi archi, nascosta alla vista grazie al guscio stesso, svolge la funzione portante.

La cupola (con un'altezza di 55 m da terra al suo colmo) è priva di un vero tiburio (dall'esterno ciò che appare come tiburio, racchiude la cupola invece che raccordarla alla base dell'aula); è percorribile internamente grazie ad una intercapedine ottenuta tra struttura visibile internamente e involucro architettonico esterno.

Guarini “gioca” con le strutture apparenti e reali, i percorsi interni ed esterni, gli effetti sorpresa per guidare ciascuno di noi ad ascendere e “vedere con l'intelletto”, contemplare la luce divina. L'architettura apparente, ciò che noi vediamo, nasconde l'architettura resistente.

LA STRUTTURA RESISTENTE è data dalla compartecipazione di diversi elementi e materiali:

• 4 mura esterne e 4 arconi a tutto sesto all’interno, paralleli ai muri esterni, appoggiati sulle torrette laterali, rinforzati da una struttura lignea;
   
• 4 archi di sguincio, a sesto ribassato, si intersecano ai primi appoggiati su altri quattro archi sottostanti posti all’altezza delle finestre laterali, legati da un tirante di ferro;
   
• 4 archi con tiranti sono presenti sopra le quattro cappelle diagonali visibili soltanto attraverso il foro in chiave della volta stellare.