Enorme frontespizio proteso verso il cielo, la facciata del Duomo, vero volto del monumento, rappresenta il lucente e scenografico fondale della città.
Eseguita sulla base di un disegno tricuspidale, ancora oggi conservato al Museo dell'Opera, la facciata è articolata da uno schema compositivo piuttosto semplice in cui il verticalismo dei quattro pilastri a fascio, coronati da guglie alla sommità, è equilibrato dalle linee orizzontali costituite dal basamento, dalle cornici e, in particolare, dal loggiato ad archi trilobi, che divide in due parti la facciata. Sintetizzando valori architettonici, plastici e figurativi, la fronte della cattedrale è caratterizzata da autonomia e chiarezza strutturale.
Il risultato è quello di una parete tripartita, spesso paragonata ad un dossale gotico, in cui è ripetuto per tre volte un unico motivo geometrico: quello del portale inquadrato dai pilastri e sormontato in basso dalla ghimberga e dalla loggia, in alto dalla cuspide, mentre al centro campeggia il rosone nella sua cornice quadrata.
Del tutto originale è la soluzione della struttura piana intesa come uno schermo destinato ad accogliere le decorazioni musive e scultoree che creano un effetto di superficie , anziché di articolazione plastica.
La parte inferiore della facciata, animata da un senso di orizzontalità, è impostata su uno zoccolo mosso, ondulato che raccorda perfettamente i bassorilievi dei pilastri ed i portali strombati.
Nella zona superiore la parete si riduce di spessore, si innalza e si arretra approfondendo lo spazio.
Fino al loggiato la fronte del Duomo è fortemente caratterizzata dalle concezioni artistiche medioevali; secondo la storiografia più recente l'esecuzione sarebbe
da collocare tra la fine del XIII e il primo decennio del XIV sec. Probabilmente contemporanea al corpo di fabbrica dell'edificio, la facciata sarebbe stata iniziata da uno sconosciuto maestro e proseguita da Lorenzo Maitani, che, introducendo una delle correnti stilistiche del goticismo, conferì un senso lineare e pittorico alla facciata, ruppe l'unità decorativa tra questa ed i fianchi dell'edificio e modificò il precedente progetto monocuspidale.
Dopo la morte dell'architetto senese i lavori proseguirono con un ritmo più lento: eseguito il rosone (1354-1380), si procedette alla costruzione delle nicchie laterali intorno ad esso e delle cuspidi minori (1373-85). La parte superiore della fronte risentì, soprattutto per i particolari del coronamento, del gusto quattrocentesco e dei modi manieristici del '500; varie furono le mofiche apportate al disegno durante l'esecuzione, come ad esempio l'aggiunta dell'ordine di edicole con statue sopra al rosone (1451-55) e l'inserimento delle loggette a tabernacolo nelle guglie laterali.
All'inizio del XVI sec. restavano da innalzare la cuspide centrale, lavoro avviato da Michele Sanmicheli nel 1513 ed ultimato nel 1532, e le guglie: quella alta di sinistra, realizzata a partire dal 1505 ed ultimata, da Ippolito Scalza, nel 1569; quella alta di destra, a partire dal 1516 e completata, da Antonio da Sangallo il Giovane, nel 1543. Terminerà la facciata Ippolito Scalza con la costruzione delle ultime guglie (1571-91).
A partire dalla fine del '700 la fronte della cattedrale subì importanti interventi di restauro che, inizialmente diretti dall'architetto Giuseppe Valadier - guglia alta di destra, due statue degli Apostoli nelle nicchie sotto il frontespizio, il mosaico di S. Gregorio intorno al rosone, l'Agnus Dei in bronzo (1796-1806)-, continuarono per tutto il secolo successivo.
