La fachada de la Catedral con el esplendor de sus mármoles refleja que el lugar donde estamos entrando, es un lugar sagrado: cada elemento prepara al visitante para el encuentro con la Madre de Dios en honor de la cual los seneses quisieron construir este templo.
La parte inferior fue realizada por el maestro Giovanni Pisano alrededor de los años 1284 y 1297 y se presenta con tres portones decorados con profundos alféizares rodeados por agujas y en el centro de éstos se encuentran los bustos de los Beatos Ambrogio Sansedoni, Giovanni Colombini y Andrea Gallerani, añadidos posteriormente en el siglo XVII. Al lado de los portones hay pequeñas columnas enrolladas y alrededor del portón central hay también dos columnas decoradas con un motivo a hojas de acanto.
El elemento más importante de la fachada es el conjunto de estatuas que están inspiradas por las Catedrales góticas situadas más allá de los Alpes y que constituyen una novedad absoluta en la historia del arte italiano. A pesar de que la arquitectura religiosa de la península tuvo muchas veces estas esculturas, éstas fueron utilizadas sobre todo para las decoraciones de capiteles, pequeños ciclos de narraciones o singulares estatuas en las arquitrabes de los portones, mientras que las esculturas de Giovanni Pisano representan un verdadero ciclo estatuario monumental con un concepto unitario y un programa iconográfico preciso. El ciclo quiere exaltar y glorificar a la Vírgen: los personajes representados son Profetas, Patriarcas, Sibilas y Filósofos; es decir, todos los que anunciaron en tiempos remotos la llegada de la Vírgen y de su parto virginal; por eso cada figura tiene un pergamino en el cual se encuentran las letras de las profecias. En la parte más abajo hay seis medias figuras de animales alegóricos: los caballos simbolizan la Iglesia, los leones la Resurrección y la regalidad de Cristo, el grifo su Vigilancia y el buey su Sacrificio.
Puestas en especies de tabernáculos las estatuas ”hablan” con el espacio en toda su evidencia plástica y la arquitectura misma fué estudiada para ser el entorno de las mismas. Por razones de conservación en los siglos XIX y XX las esculturas originales fueron colocadas en el Museo de la Opera del Duomo y las que se ven en la fachada son copias.
Ha quedado en su colocación original el único relieve de carácter narrativo de la fachada es decir, el arquitrabe del portón mayor que representa las Historias de la Juventud de la Vírgen, obra de Tino de Camaino fechada hacia los años 1297-1300. Fué su padre, Camaino de Crescentino, que en el año 1317 acabó la parte superior de la fachada dándole el aspecto actual de tricúspide. En el centro se encuentra un rosetón con el vitral del siglo XVI representando la Ultima Cena encuadrado por bustos de Apóstoles y Profetas. Las tres cúspides tienen mosaicos realizados en 1878 con el dibujo de Alesssandro Franchi que representan a la izquierda, la Presentación de María al Templo, a la derecha el Nacimiento de Jesús y en el centro la Incoronación de la Vírgen.
El portón mayor fué realizado en 1958, fundido en bronce por Enrico Manfrini y representa la Glorificación de María.