C'est probablement à cause des graves problèmes de nature statique de la Chapelle Sixtine que le pape Jules II décida de refaire entièrement la décoration de la voûte, dès les premières années de son pontificat (1503-1513). Ces problèmes furent causés par les creusements effectués au nord et au sud de l'édifice, pour la construction de la Tour Borgia et de la nouvelle basilique Saint-Pierre. En mai 1504, une longue fissure s'ouvrit dans la voûte et Bramante, alors architecte du Palais, fut chargé d'y remédier. Il fit installer des chaînes dans la pièce située au-dessus de la Chapelle. Toutefois, les dégats étaient si importants que le pape demanda à Michel-Ange de refaire la décoration. Le 8 mai 1508, l'artiste signait le contrat prévoyant la réalisation des douze apôtres dans les pendentifs et des motifs ornementaux dans les parties restantes. Par la suite, sur requête de Michel-Ange lui-même qui jugeait ce projet trop "pauvre", le pape laissait à l'artiste entière liberté sur le sujet. Très vraisemblablement, le peintre a pu compter sur la collaboration de théologiens de la cour papale. Michel-Ange a réalisé, au sein d'une puissante structure, neuf Histoires centrales représentant des épisodes de la Genèse, avec sur les bords, des Nus soutenant des médaillons illustrant des scènes tirées du Livre des Rois. A la base de la structure architectonique, douze Voyants, entre Prophètes et Sibylles, siègent sur des trônes monumentaux, au-dessus des Ancêtres du Christ, représentés dans lesVoussures et les Lunettes (paroi nord, paroi sud, paroi d'entrée). Enfin, dans lesPendentifs des quatre coins, l'artiste a peint quelques épisodes du salut miraculeux du peuple d'Israël. En août 1510, Michel-Ange avait terminé la première moitié de la voûte, du mur d'entrée jusqu'à la Création d’Eve. Les travaux furent probablement conclus avant le 31 octobre 1512 car le 1er novembre le Pape célébra la Messe dans la Chapelle.

La partie centrale de la voûte présente neuf histoires de la Genèse, divisées par groupes de trois, relatives aux origines de l’univers, de l’homme et du mal. Les trois premiers épisodes (Séparation de la lumière et des ténèbres: Genèse 1,1-5; Création des astres et des plantes: Genèse 1,11-19; Séparation de la terre et des eaux :Genèse 1,9-10) dominés par la présence de Dieu, Créateur de l’univers, sont suivis de la Création d’Adam (Genèse 1,26-27) et d’Eve (Genèse 2,18-25), où l’homme et la femme apparaissent dans leur nudité, symbole de l’innocence (Genèse 2,25) qui sera perdue avec le Péché originel (Genèse 3,1-13), représenté dans le panneau suivant avec sa conséquence, l’expulsion du Paradis Terrestre (Genèse 3,22-24). Les trois dernières fresques (Sacrifice de Noé: Genèse 8,15-20, Déluge Universel: Genèse 6,5-8,20, Ivresse de Noé: Genèse 9,20-27) montrent la chute de l’humanité et sa renaissance avec Noé, choisi par Dieu comme le seul homme destiné à être sauvé pour repeupler la terre après que le Créateur eut décidé d’y détruire tout être vivant à cause de la méchanceté humaine.

Les huits cantons de voûte dans lesquels sont représentés des groupes de personnages, achèvent probablement la série des Ancêtres du Christ des lunettes sous-jacentes. La critique n’est pas encore tout à fait d’accord sur leur identification précise.

Les grands pendentifs aux quatre coins de la voûte narrent quatre épisodes du salut miraculeux du peuple d'Israël. On peut les interpréter comme des préfigurations du Messie car ils témoignent de la présence constante de Dieu dans la vie de son peuple et du renouvellement perpétuel de la promesse de la Rédemption. Ils constituent donc le trait d'union entre les épisodes de la voûte et ceux des murs.

Prophètes et Sibylles s'alternent sur les longs côtés, assis sur des trônes. Deux silhouettes ressortent sur les côtés plus courts: Zacharie et au-dessus de l'autel, Jonas (Jonas 1,2) qui occupe une position centrale car il préfigure le Christ (Matthieu 12,38-40; 16,1-4; Luc 11,29-30). Les noms des Voyants sont précisés dans la plaque sous-jacente. Ils furent les premiers à pressentir la venue du Rédempteur. Les Prophètes et Sibylles témoignent que l'humanité attend continuellement la Rédemption. En effet les premiers annoncèrent la venue du Christ au peuple d'Israël et les deuxièmes, bien qu'appartenant au monde païen, sont ici représentées pour leurs dons de divinatrices, élargissant ainsi l'attente de la Rédemption du peuple élu à toute l'humanité.