La façade de la Cathédrale, par la magnificence de son marbre et ses mosaïques, fait comprendre que le lieu où nous allons pénétrer est un lieu sacré : chaque élément aide à préparer le visiteur à la rencontre avec la Mère de Dieu, en l’honneur de laquelle les Siennois ont voulu édifier ce temple.
La partie inférieure a été réalisée par le maître Giovanni Pisano entre 1284 et 1297; elle est constituée de trois portails profondément ébrasés, surmontés de gables avec au centre les bustes des bienheureux Ambrogio Sansedoni, Giovanni Colombini e Andrea Gallerani, ajoutés ce pendant au XVIIème siècle. Les embrasures des portails sont faites de colonnes torses cannelées auxquelles s’ajoutent sur les côtés du portail central, deux très belles colonnes ornées de feuilles d’acanthe qui s’y enroulent.
L’élément majeur de la façade est toutefois l’ensemble des statues, qui a été inspiré par les cathédrales gothiques françaises. Il constitue une nouveauté absolue dans l’histoire de l’art italienne : bien qu’auparavant la sculpture faisait très souvent partie de l’architecture religieuse de la péninsule, elle était utilisée pour décorer des chapiteaux et pour reproduire tout au plus de brefs cycles narratifs, ou de simples statues placées dans les architraves et dans les lunettes des portails. Au contraire, les sculptures de Giovanni Pisano constituent un vrai cycle de statues monumental qui correspond à un concept unitaire et à un programme iconographique précis tourné vers l’exaltation et la glorification de la Vierge : les personnages représentés sont des Prophètes, des Patriarches, des Sibylles et des Philosophes qui annoncèrent dans le passé la venue de la Madone ; pour cette raison, chacun d’entre eux tient une cartouche sur laquelle sont inscrites les prophéties. Dans le registre le plus bas on trouve six animaux allégoriques en demi-buste : les chevaux symbolisent l’Église, les lions la Résurrection et la Majesté du Christ, le griffon sa Vigilance et le taureau son Sacrifice.
Placées devant des niches-tabernacle ou sur des tablettes, les statues dialoguent avec l’espace, dans toute leur évidence plastique, et l’architecture est conçue pour leur servir de toile de fond. Mais au cours des XIX et XXème siècle, les statues originelles ont été remplacées par des copies et transportées au Musée de l’Opera du Duomo.
Cependant le seul bas-relief à caractère narratif de la façade est resté à sa place, c’est à dire l’architrave du portail central; il narre les Épisodes de l’Enfance de la Vierge, œuvre de Tino di Camaino (env 1297-1300).
Le père de ce dernier Camaino di Crescentino, finit la partie supérieure de la façade en 1317, lui conférant ainsi son aspect actuel tricuspidé. Au centre s’ouvre une rosace occupée par le vitrail du XVIème siècle de la Cène ; elle est entourée de niches contenant les bustes des Apôtres et des Prophètes. Les trois pointes sont décorées de mosaïques réalisées en 1878 à partir des esquisses d’ Alessandro Franchi; elles représentent, à gauche, la Présentation de Marie au Temple, à droite, la Nativité, et au centre le Couronnement de la Vierge.
Enfin, en 1958, Enrico Manfrini exécute le nouveau portail central en bronze moulé; la Glorification de Marie y est représentée.