Alrededor de 1470, Ludovico Gonzaga, duque de Mantua, dio a Alberti la oportunidad excepcional de diseñar una iglesia en su totalidad. S. Andrea nunca se acabó, pero las partes que se terminaron, tanto exteriores como interiores, iban a tener una influencia inmensa en el futuro de la arquitectura. Es posiblemente la más grandes de las construcciones del primer período del Renacimiento y separa claramente a Alberti - en términos de la comprensión de la arquitectura histórica- de todos los arquitectos que le precedieron. Combinó en la fachada dos de sus imágenes favoritas de la antigüedad .El frente de un templo con frontón (pilastras, entablamento, adintelación y frontón triangular) y el arco triunfal triádico (sección central arqueada y puertas bajas en cada lado). La altura de la fachada en igual a su anchura, pero la bóveda de cañón de la nave llegaba muy por encima del ápice del frontón, que también estaba coronado por un baldaquin grande sobre la ventana de la nave. Alberti por tanto disoció la fachada del cuerpo de la iglesia convirtiéndola en un nartex independiente (algo que Miguel Angel haria en 1516 en su maqueta para la fachada de San Lorenzo) con su propio sistema de bóvedas de cañón con casetones y un diseño que combinaba la imagen de un arco triunfal con la de un frente de templo clásico. El gigantesco orden de pilastras que corría desde el zócalo al entablamenteo para unificar los niveles de los paños laterales es quizá la innovación más profetica de Alberti. Da al edificio una sensación de escala colosal por todas partes (también está utilizado en el interior) y hace que la arquitectura tardía de Brunelleschi parezca, en comparación, delicada, frágil, incluso "gótica". Contemplar S. Andrea es comprender la deuda que tenía contraída la arquitectura del Renacimiento. Aquí no existen ecos góticos, malinterpretaciones posclásicas del espíritu heróico de la arquitectura antigua. 

El diseño del interior de S. Andrea estaba basado en la basílica romana de Majencio, con su gigantesca nave y amplias aperturas a los espacios laterales y sustituía a la basílica paleocristiana y sus herederas renacentistas, iglesias de planta basilical como San Lorenzo y Sto. Spirito en Florencia. El sistema convencional para las iglesias de tres naves, compuesto por cortinas de columnas, canales de espacio separado y techos planos, se ve suplantado ahora por una enorme nave cubierta por una boveda de cañón y limitada por capillas techadas con bóvedas transversales de refuerzo. Como en los monumentos romanos más importantes, el espacio de la nave está unificado, la visión no está obstaculizada, la escala es majestuosa. Para articular los inmensos pilares que hay entre las capillas, Alberti escogió el patrón del arco triunfal de la fachada, fraguando de esta manera una correspondencia entre el interior y el exterior. Hay unas pilastras enmarcando los arcos de las capillas que pertenecen a un entablamenteo corrido que se extiende desde la entrada al crucero y desde donde arranca la boveda. Este diseño - tan noble en su concepción - se convirtió en un modelo para algunas de las grandes iglesias longitudinales del siglo XVI, inculyendo San Pedro de Roma y el Gesú.

Alberti murión poco después de que se hubiera colocado la primera piedra de S. Andrea en 1472. La construcción fue entonces superviada por Luca Fancelli, arquitecto jefe de la corte de Gonzaga. Fue terminada hasta el final de la nave en 1494; el resto en el siglo XVIII.