В то время как строился Воспитательный дом, Брунеллески в 1420 году начал работу над Старой сакристией базилики Сан-Лоренцо (основана в 390 г., перестраивалась), и впервые создал ставшую образцовой для Ренессанса ясную и гармоничную центрическую композицию (окончена в 1428 г.). Средства на строительство выделили Медичи — здесь были погребены представители их семьи.
Сакристия Сан-Лоренцо — просторное (ок. 11 м ширины) квадратное помещение, перекрытое куполом. С восточной стороны стена открывается в сторону алтаря, квадратного и тоже перекрытого куполом — маленькое низкое помещение, таким образом, подчинено большому, высокому; каждое четко воспринимается в отдельности, изолированно, в чём выразилась основная черта художественной задачи Брунеллески — стремление к ясности. Ребра и углы стен обоих помещений отмечены коринфскими пилястрами, поддерживающими антаблемент — ордер подчеркивает всю структуру помещения и ясно фиксирует восприятие пространства. На стены, над которыми поднимается купол, наложены декоративные арки, над антаблементом в люнетах помещены полуциркульные окна. Паруса, люнеты, двери и участки над ними украшены рельефами, которые выполнил Донателло. Все тектонические сочленения — ордер, наличники окон, ребра сводов — сделаны из темного камня и выделяются на нейтральных нарядных белых стенах.
Когда Брунеллески взял на себя перестройку церкви Сан-Лоренцо, стены её алтаря уже высились, сакристия строилась, а с другой стороны находились остатки старой церкви Сан-Лоренцо, которые ещё не были сломаны. Эта раннехристианская базилика и определила форму новой церкви. Раннехристианская архитектура не считалась варварской, её античные колонны относились ещё к «хорошему стилю». Таким образом, путь к ренессансной — возрожденной античной — архитектуре в значительной мере шёл через воспоминание о временах раннего христианства и его архитектуре.
Боковые нефы базилики — не сквозные, как это было традиционно, а образованы цепью одинаковых квадратных помещений, перекрытых сводами. Античные по пропорциям, силуэту и рисунку капителей колонны легко несут тяжесть, через них перекинуты арки, все пространство расчленено с математической ясностью — избегнуто все давящее, все разъединяющее. Простая орнаментика, частично античная, частично следующая флорентийской традиции, частично — изобретенная самим Брунеллески, вносит отпечаток легкости, гармоничность, и все настроение этого церковного здания — настроение неомраченной жизнерадостности, наивной радости бытия.
