De departe, principalul element de interes din Santa Maria del Carmine este reprezentat de Capela Brancacci (Capella dei Brancacci) care, de asemenea, a supravieţuit incendiului major ce a avut loc în 1771. În ciuda faptului că în mod justificat capela aparţine bisericii care o găzduieşte, acestea sunt considerate a fi obiective turistice distincte. Masolino di Panicale şi Masaccio, ucenicul lui Masolino, au fost mandataţi în secolul al XV-lea să execute sarcina de a acoperi cu fresce capela, ceea ce au şi reuşit, deşi numai în parte, restul lucrării fiind completat de Filippino Lippi, faimosul succesor versat al lui Masaccio.
Capela Brancacci este un reper extrem de valoros pentru arta picturală renascentistă întrucât Masaccio a fost unul dintre primii care au implementat studiul ştiinţific al perspectivei şi tehnica clarobscurului (chiaroscuro) în arta sa, ceea ce a dus la un efect mult mai naturalist al picturii. Importanţa operei sale nu ar putea fi niciodată prea mult subliniată, spunându-se că atât Michelangelo, cât şi Leonardo da Vinci au venit la Capela Brancacci în repetate rânduri pentru a studia tehnica lui Masaccio. Din această privinţă, trebuie distins între contribuţia lui Masolino, Masaccio şi Filippino Lippi. Astfel, lui Masolino îi sunt atribuite următoarele scene: scena care descrie Ispitirea lui Adam şi a Evei, posibil Vindecarea Şchiopului, St. Petru Predicând. Alungarea din Grădina Edenului, Chemarea lui Petru, posibil Banii de Tribut şi Ridicarea Tabithei, Botezul Neofiţilor, Sfântul Petru Vindecând Bolnavii, Împărţirea Pomenii şi a Morţii lui Ananias, toate acestea îi revin lui Masaccio, în vreme ce Filippino Lippi a contribuit cu Cearta cu Simon Magul, Crucificarea St. Petru, St. Petru Eliberat din Închisoare, St. Paul Vizitându-l pe St. Petru în Închisoare, Ridicarea Fiului lui Teophilus şi St. Petru Înscăunat.