L’idea di fornire un coronamento monumentale alla basilica di San Gaudenzio era nell’aria da tempo immemorabile, ma sarà solo dopo il 1825 che si creeranno le condizioni ideali per poter finalmente metter mano al progetto. In quell’anno con un «brevetto» il Re Carlo Felice di Savoia concede alla Fabbrica Lapidea, organo che ancora oggi cura la basilica, il diritto di usufruire del ricavato di alcune imposte; nell’arco di qualche anno si riescono così a reperire i fondi per poter dare inizio ai lavori. Nel 1840 i fabbricieri prendono contatti con l’Antonelli e gli affidano la costruzione della cupola e il rifacimento della facciata; questo secondo punto non verrà mai completato, e verrà realizzata solo la porta in noce con rosoni e teste in ferro fuso ancora oggi in uso.
La prima versione della cupola è molto diversa dalla "cupola-torre" di 121 metri che oggi svetta sulla città, frutto di diversi progetti e di numerose piccole, grandi modifiche apportate dall’architetto durante gli oltre quarant’anni di cantiere.
L’esterno della struttura è scandito da una "geometria dei vuoti e dei pieni" e da due colonnati che contribuiscono a dare la sensazione di ancora maggior slancio; si riesce inoltre ad intuire la successione di cerchi che la compone e che gradualmente sale verso il cielo.
La cupola è sostenuta da quattro coppie di archi in muratura che, disposti a quadrato, vanno ad innestarsi sui pilastroni d’angolo del presbiterio tardocinquecentesco.
In anni in cui altrove sta prendendo piede l’ "architettura del ferro", l’Antonelli sceglie di utilizzare ben 2046 metri cubi di mattoni di provenienza esclusivamente locale, e dà un saggio dell’abilità delle maestranze novaresi. L’impresa costituisce un unicum nella storia dell’architettura mondiale, e rappresenta una delle strutture murarie più ardite mai concepite. I documenti del cantiere narrano di come l’architetto imponesse nei suoi capitolati che ogni materiale fosse di primissima qualità, così da evitare che la stabilità della sua "invenzione" venisse compromessa.
I lavori verranno completati entro il 1887, anno in cui il vescovo potrà celebrarne la conclusione durante la festività patronale. Le operazioni di consolidamento di volte e sottofondazioni proseguiranno comunque fino all’anno successivo.
Anche la Cupola, come il Duomo, è in parte incompiuta: non verrà mai realizzato l’affresco su più livelli raffigurante Il trionfo di San Gaudenzio, così come non verranno mai collocate le statue a completamento del "guscio". Entrambe le proposte saranno accantonate a causa della carenza cronica di fondi e dei rapporti, spesso burrascosi, tra l’architetto e gli amministratori.